【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】顯微鏡是由一個(gè)透鏡或幾個(gè)透鏡的組合構(gòu)成的一種光學(xué)儀器，是人類進(jìn)入原子時(shí)代的標(biāo)志。可以說(shuō)顯微鏡是人類偉大的發(fā)明物之一，因?yàn)樵谒l(fā)明出來(lái)之前，人類關(guān)于周圍世界的觀念局限在用肉眼所觀察到的，或者靠手持透鏡幫助肉眼所看到的回東西。但自從發(fā)明出顯微鏡以后，顯微鏡把一個(gè)全新的世界展現(xiàn)在人類的視野里，人們第一次看到了微觀世界，這對(duì)于科學(xué)研究有著重要的意義。
 

　　隨著顯微鏡的發(fā)展越來(lái)越深入，人們對(duì)顯微鏡的劃分也有了許多種類，按著類型劃分的話，顯微鏡可以分為生物顯微鏡、金相顯微鏡、體視顯微鏡(解剖鏡)、偏光顯微鏡、相差顯微鏡、熒光顯微鏡、工具測(cè)量顯微鏡等。
 

　　近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心江穎教授團(tuán)隊(duì)及其合作者研制出國(guó)內(nèi)較快掃描隧道顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了飛秒級(jí)時(shí)間分辨和原子級(jí)空間分辨，并捕捉到金屬氧化物表面單個(gè)極化子的非平衡動(dòng)力學(xué)行為。
 

　　此前，江穎團(tuán)隊(duì)及合作者還取得了一系列成果：通過(guò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論方法的雙重突破，在上率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子核量子態(tài)的精確描述，揭示了水的核量子效應(yīng)，該成果發(fā)表于《科學(xué)》期刊；通過(guò)開(kāi)發(fā)新型掃描探針技術(shù)，在上獲得了單個(gè)鈉離子水合物的原子級(jí)分辨圖像，該成果發(fā)表于《自然》期刊；在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了冰在二維極限下可以穩(wěn)定存在，拍攝并揭示了二維冰的獨(dú)特形成過(guò)程和生長(zhǎng)機(jī)制，該成果發(fā)表于《自然》期刊。
 

　　今天，就讓我們一起了解北大科學(xué)家的量子科學(xué)世界吧！致力于提高STM的時(shí)間分辨率，八年磨一劍，掃描隧道顯微鏡是一種空間分辨率可以達(dá)到原子量級(jí)的微觀探測(cè)工具。
 

　　然而，受電流放大器帶寬的局限，其時(shí)間分辨一般只能達(dá)到微秒量級(jí)(10-6s)，而很多微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程往往發(fā)生在皮秒(10-12 s)和飛秒(10-15 s)量級(jí)。為了提高STM的時(shí)間分辨率，其中一種比較可行的辦法是將超快激光的泵浦-探測(cè)(pump-probe)技術(shù)和STM相結(jié)合，利用超快光與電子隧穿過(guò)程的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)“飛秒-埃”尺度的極限探測(cè)。
 

　　盡管超快激光技術(shù)和STM相耦合的概念在上世紀(jì)90年代就被提出，但是相關(guān)研究受限于一系列技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)展非常緩慢。近年來(lái)，超快STM的原始概念和核心技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)革新，北京大學(xué)物理學(xué)院江穎課題組也于2012年加入了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。
 

　　團(tuán)隊(duì)獨(dú)立研發(fā)并掌握了若干關(guān)鍵技術(shù)，歷經(jīng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、機(jī)械加工、組裝對(duì)接、性能測(cè)試等環(huán)節(jié)，掃描探頭、真空系統(tǒng)、控制電路、光耦合系統(tǒng)等關(guān)鍵部件全部自行制作，在兩屆博士生的接力和反復(fù)試錯(cuò)后終研制出了全新一代超快STM系統(tǒng)，使得原子尺度上的超快動(dòng)力學(xué)探測(cè)成為可能。
 

　　該系統(tǒng)可工作在超高真空液氦溫度環(huán)境，較高時(shí)間分辨率可達(dá)百飛秒，長(zhǎng)時(shí)間延遲可達(dá)微秒量級(jí)，相關(guān)性能參數(shù)達(dá)到較好水平。這也是國(guó)內(nèi)首臺(tái)可實(shí)現(xiàn)飛秒時(shí)間分辨的STM系統(tǒng)。
 

　　利用這臺(tái)設(shè)備，并結(jié)合第一性原理計(jì)算，研究人員對(duì)單個(gè)極化子的非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了深入研究。
 

　　極化子是材料中單個(gè)電子與周圍晶格相互作用形成的一種準(zhǔn)粒子。金屬氧化物材料中所表現(xiàn)出的許多奇特的物性，例如：光催化、高溫超導(dǎo)、熱電以及巨磁阻等現(xiàn)象，都與極化子具有密切的關(guān)系。
 

　　通過(guò)測(cè)量時(shí)間分辨的單個(gè)極化子動(dòng)力學(xué)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)極化子被兩個(gè)氧缺陷束縛時(shí)，其被捕獲的時(shí)間比只有一個(gè)氧缺陷時(shí)明顯要短。然而，自由電子壽命對(duì)氧缺陷的原子尺度聚集并不敏感，但強(qiáng)烈依賴于納米尺度的平均缺陷密度。該工作揭示了原子尺度環(huán)境對(duì)極化子非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程的重要影響，為光催化反應(yīng)中的高活性位點(diǎn)提供了新的微觀圖像，同時(shí)也為納米光催化材料的缺陷工程提供了全新的思路。
 

　　一次次挑戰(zhàn)爭(zhēng)論不休的難題，揭示懸而未決的奧謎。從測(cè)定氫鍵的量子成分、在原子尺度揭示水的核量子效應(yīng)，到開(kāi)發(fā)基于高階靜電力的新型掃描探針技術(shù)、實(shí)現(xiàn)氫原子的直接成像和定位、獲得單個(gè)鈉離子水合物的原子級(jí)分辨圖像，到利用非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡技術(shù)、以原子級(jí)分辨率拍到了二維冰的形成過(guò)程，再到研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)超快掃描隧道顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了飛秒級(jí)時(shí)間分辨和原子級(jí)空間分辨……