nachricht

die terahertz-rastertunnelmikroskopie (thz-stm) ist eine neue analysetechnologie, die sowohl eine räumliche auflösung im atomaren maßstab als auch eine ultraschnelle zeitauflösung aufweist.das prinzip besteht darin, ein kryogenes rastertunnelmikroskop mit einem ultraschnellen terahertz-pulslaser zu kombinieren und den ultraschnellen terahertz-pulslaser durch eine linse auf den stm-tunnelübergang zu fokussieren tunnelprozess von strom auf einer ultraschnellen zeitskala. ultraschnelle zeitauflösung wird im stm durch die steuerung der trägerhüllkurvenphase (cep) von terahertz-pulsen und den einsatz der pump-probe-technologie erreicht.da die wechselwirkung zwischen materie und terahertz-licht sehr umfangreiche physikalische und chemische informationen enthält, ist die terahertz-stm-technologie von großer bedeutung für die erforschung niederenergetischer anregung und dynamischer prozesse in der physik und chemie der kondensierten materie.allerdings müssen beim bau des thz-stm viele technische schwierigkeiten überwunden werden. derzeit haben nur wenige gruppen auf der welt ultrahochvakuum- und niedertemperatur-thz-stm mit ultraschneller zeitauflösung und ultrahoher räumlicher auflösung erreicht .

institut für physik, chinesische akademie der wissenschaften/staatliches schlüssellabor für oberflächenphysik, beijing national research center for condensed matter physics, gruppe sf09nach jahren der relaisforschung und wiederholten optimierung wurde erfolgreich ein völlig unabhängig entwickeltes neues ultrahochvakuum- und niedertemperatur-thz-stm-system gebaut.dieses system verwendet nicht das traditionelle stm-design des dewar-typs mit niedriger temperatur, sondern nutzt innovativ ein flüssiges, heliumfreies, kontinuierliches kühlverfahren zur kühlung. die einfache struktur dieses tieftemperatureinsatzes ermöglicht eine kompaktere gestaltung der stm-kernsonde und des ultrahochvakuumhohlraums. durch die platzierung der fokussierungslinse außerhalb des ultrahochvakuumhohlraums kann dennoch eine gute kopplung zwischen thz-impulsen und tiefdruck erreicht werden -temperatur-stm, aber es verbessert den bedienkomfort erheblich. im optischen thz-pfadteil verwendeten sie linbo₃die methode der kristallgekippten wellenfront erzeugt ultraschnelle thz-pulse, die durch einen parabolspiegel auf den stm-tunnelübergang fokussiert werden, um eine kopplung zwischen stm- und thz-pulsen zu erreichen. durch die konfokalisation zweier thz-impulsstrahlen mit einstellbaren zeitverzögerungen auf den stm-tunnelübergang kann ein thz-pump-probe-experiment durchgeführt und so eine zeitauflösung erreicht werden. da dieses neuartige design den bedienkomfort erhöht und effizient eine bessere thz-fokussierung erreichen kann,der photostrom kann einen maximalwert von 100 pa bei einer wiederholungsfrequenz von 1 mhz erreichen, was bedeutet, dass jeder impuls 1000 elektronen antreibt, die von der spitze emittiert werden. über diese photostromstärke wurde in der bisherigen literatur nicht berichtet.

abbildung: (links) der stm-scankopf ist über federn an der unterseite des kaltkopfs und der ultrahochvakuumkammer aufgehängt. (rechts) bild mit atomarer auflösung des doppelpuls-autokorrelationssignals auf der ag(111)-oberfläche und des mittels chopper-phase-locking extrahierten photostromsignals auf der fese-oberfläche.

derzeit hat dieses system stabile photostromsignale in einer vielzahl von materialien beobachtet und kann eine zeitauflösung im subpikosekundenbereich und eine räumliche auflösung auf atomarer ebene erreichen.bei der bildgebung mit thz-photostrom an einer fese-probe wurde beispielsweise ein klares gitter aus se-atomen beobachtet und festgestellt, dass der thz-photostrom ein einzigartiges verhalten in der nähe von defekten zeigt, was bedeutet, dass der photostrom in der lage ist, einen gleichstrom-tunnelstrom zu übertragen, der die thz-informationen nicht widerspiegeln kann das auf der ag(111)-oberfläche erhaltene photostrom-doppelpuls-autokorrelationssignal hat eine halbwertsbreite von 700 fs, was darauf hinweist, dass dieses thz-stm eine zeitauflösung im subpikosekundenbereich erreichen kann. der erfolgreiche aufbau dieses systems hat eine neue welt für die realisierung der ultraschnellen zeitaufgelösten stm-technologie eröffnet und ein leistungsstarkes werkzeug für die untersuchung dynamischer prozesse in der physik der kondensierten materie bereitgestellt. gleichzeitig wurden in diesem system auch viele innovative designs bereitgestellt informationen für andere optisch gekoppelte stms.

diese arbeit wurde von der national natural science foundation of china und der chinesischen akademie der wissenschaften finanziert. die forscher wu kehui, forscher chen lan und associate researcher cheng peng von der sf09-gruppe des instituts für physik begleiteten die doktoranden zhang huaiyu, tian dacheng, liu zijia und ma chen bei der fertigstellung dieser arbeit. verwandte arbeiten wurden unter dem titel „die entwicklung eines tieftemperatur-terahertz-rastertunnelmikroskops basierend auf einem kryogenfreien schema“ veröffentlicht.rev. sci. instrument. 95, 093703(2024).