我國太赫茲掃描隧道顯微鏡系統研制實現突破

近日，中國科學院空天信息研究院（廣州園區）-廣東大灣區空天信息研究院（以下簡稱“大灣區研究院”）成功研制出太赫茲掃描隧道顯微鏡系統，實現了優于原子級（埃級）的空間分辨率和優于500飛秒的時間分辨率，成為國內首套自主研制的太赫茲掃描隧道顯微鏡系統。

掃描隧道顯微鏡（STM）是一種用于觀察和定位單個原子的掃描探針顯微工具，通過原子尺度的針尖，在不到一個納米的高度上，對不同樣品進行超高精度掃描成像。STM在低溫下可以利用探針尖端精確操縱單個分子或原子，不僅是重要的微納尺度測量工具，也是頗具潛力的微納加工工具，在原子級掃描、材料表面探傷及修補、引導微觀化學反應、控制原子排列等領域廣泛應用。但是，傳統的電學調制速率限制了STM在更高時間分辨率的觀測（一般具有微秒量級的時間分辨率）。2013年，加拿大阿爾伯塔大學教授Frank Hegmann，首次將太赫茲脈沖和STM結合，實現了亞皮秒時間分辨和納米空間分辨，隨后德國、美國等科研團隊紛紛開展相關技術研究。

大灣區研究院太赫茲研究團隊歷時近12個月，突破了太赫茲與掃描隧道針尖耦合、太赫茲脈沖相位調制等核心關鍵技術，成功研制出國內首臺太赫茲掃描隧道顯微鏡（THz-STM）。該顯微鏡具有埃級空間分辨率和亞皮秒時間分辨率（提升100萬倍以上），可同時實現高時間和空間分辨下的精密檢測（飛秒-埃級），為進一步揭示微納尺度下電子的超快動力學過程提供了強有力的技術手段，可用于新型量子材料、微納光電子學、生物醫學、超快化學等領域，有望取得具有重要國際影響力的原創性科研成果。