我国太赫兹扫描隧道显微镜系统研制实现突破

近日，中国科学院空天信息研究院（广州园区）-广东大湾区空天信息研究院（以下简称“大湾区研究院”）成功研制出太赫兹扫描隧道显微镜系统，实现了优于原子级（埃级）的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率，成为国内首套自主研制的太赫兹扫描隧道显微镜系统。

扫描隧道显微镜（STM）是一种用于观察和定位单个原子的扫描探针显微工具，通过原子尺度的针尖，在不到一个纳米的高度上，对不同样品进行超高精度扫描成像。STM在低温下可以利用探针尖端精确操纵单个分子或原子，不仅是重要的微纳尺度测量工具，也是颇具潜力的微纳加工工具，在原子级扫描、材料表面探伤及修补、引导微观化学反应、控制原子排列等领域广泛应用。但是，传统的电学调制速率限制了STM在更高时间分辨率的观测（一般具有微秒量级的时间分辨率）。2013年，加拿大阿尔伯塔大学教授Frank Hegmann，首次将太赫兹脉冲和STM结合，实现了亚皮秒时间分辨和纳米空间分辨，随后德国、美国等科研团队纷纷开展相关技术研究。

大湾区研究院太赫兹研究团队历时近12个月，突破了太赫兹与扫描隧道针尖耦合、太赫兹脉冲相位调制等核心关键技术，成功研制出国内首台太赫兹扫描隧道显微镜（THz-STM）。该显微镜具有埃级空间分辨率和亚皮秒时间分辨率（提升100万倍以上），可同时实现高时间和空间分辨下的精密检测（飞秒-埃级），为进一步揭示微纳尺度下电子的超快动力学过程提供了强有力的技术手段，可用于新型量子材料、微纳光电子学、生物医学、超快化学等领域。

该研究得到国家自然科学基金委太赫兹基础科学中心、广东省科学技术厅、广州市、黄埔开发区等相关项目的资助。

THz自相关脉冲和THz-STM电流信号