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la microscopie à effet tunnel térahertz (thz-stm) est une nouvelle technologie d'analyse qui possède à la fois une résolution spatiale à l'échelle atomique et une résolution temporelle ultrarapide.le principe est de combiner un microscope à effet tunnel à balayage cryogénique avec un laser à impulsion térahertz ultrarapide et de focaliser le laser à impulsion térahertz ultrarapide sur la jonction tunnel stm à travers une lentille. l'impulsion térahertz génère un champ électrique transitoire local sur la jonction tunnel. processus de tunneling du courant sur une échelle de temps ultrarapide. une résolution temporelle ultra-rapide est obtenue en stm en contrôlant la phase d'enveloppe de la porteuse (cep) des impulsions térahertz et en utilisant la technologie pompe-sonde.étant donné que l’interaction entre la matière et la lumière térahertz contient des informations physiques et chimiques très riches, la technologie térahertz stm revêt une grande importance pour l’exploration des processus dynamiques et d’excitation à faible énergie dans la physique et la chimie de la matière condensée.cependant, la construction du thz-stm doit surmonter de nombreuses difficultés techniques. actuellement, seuls quelques groupes dans le monde ont réalisé un thz-stm à ultra-vide et à basse température avec à la fois une résolution temporelle ultra-rapide et une résolution spatiale ultra-élevée. .

institut de physique, académie chinoise des sciences/laboratoire d'état de physique des surfaces, centre national de recherche de pékin sur la physique de la matière condensée, groupe sf09après des années de recherche sur les relais et d'optimisations répétées, un nouveau système thz-stm à ultra-vide et basse température de conception totalement indépendante a été construit avec succès.ce système n'utilise pas la conception stm traditionnelle de type dewar à basse température, mais utilise de manière innovante une méthode de réfrigération à flux continu sans hélium liquide pour la réfrigération. la structure simple de cet insert à basse température permet de concevoir la sonde à noyau stm et la cavité à ultra-vide dans un style plus compact. le fait de placer la lentille de focalisation à l'extérieur de la cavité à ultra-vide peut toujours obtenir un bon couplage entre les impulsions thz et les faibles. -température stm, mais mais cela améliore considérablement la commodité de fonctionnement. dans la partie chemin optique thz, ils ont utilisé linbo₃la méthode du front d'onde incliné par cristal génère des impulsions ultrarapides thz, qui sont focalisées sur la jonction tunnel stm via un miroir parabolique pour obtenir un couplage entre les impulsions stm et thz. en confocalant deux faisceaux d'impulsions thz avec des délais réglables à la jonction tunnel stm, une expérience pompe-sonde thz peut être réalisée, obtenant ainsi une résolution temporelle. parce que cette nouvelle conception apporte une commodité opérationnelle et peut obtenir efficacement une meilleure focalisation thz,le photocourant peut atteindre un niveau maximum de 100 pa à une fréquence de répétition de 1 mhz, correspondant à chaque impulsion entraînant l'émission de 1 000 électrons par la pointe. cette intensité de photocourant n'a pas été rapportée dans la littérature antérieure.

figure : (à gauche) la tête de balayage stm est suspendue au bas de la tête froide et à la chambre à ultra-vide par l'intermédiaire de ressorts. (à droite) image à résolution atomique du signal d'autocorrélation à double impulsion sur la surface ag (111) et du signal de photocourant extrait à l'aide du verrouillage de phase chopper sur la surface fese.

à l'heure actuelle, le système a observé des signaux de photocourant stables dans une variété de matériaux et peut atteindre une résolution temporelle inférieure à la picoseconde et une résolution spatiale au niveau atomique.par exemple, l'imagerie utilisant le photocourant thz sur un échantillon de fese a observé un réseau clair d'atomes de se, et le photocourant thz a montré un comportement unique à proximité des défauts, ce qui signifie que le photocourant est capable de transporter un courant tunnel continu qui ne peut pas refléter les informations ; le signal d'autocorrélation à double impulsion de photocourant thz obtenu sur la surface ag (111) a une largeur totale à mi-hauteur de 700 fs, indiquant que ce thz-stm peut atteindre une résolution temporelle inférieure à la picoseconde. la construction réussie de ce système a ouvert un nouveau monde pour la réalisation de la technologie stm à résolution temporelle ultra-rapide, fournissant un outil puissant pour l'étude des processus dynamiques en physique de la matière condensée. dans le même temps, de nombreuses conceptions innovantes de ce système ont également fourni. informations pour d’autres nouvelles idées de stm optiquement couplés.

ce travail a été financé par la fondation nationale des sciences naturelles de chine et l'académie chinoise des sciences. le chercheur wu kehui, le chercheur chen lan et le chercheur associé cheng peng du groupe sf09 de l'institut de physique ont guidé les doctorants zhang huaiyu, tian dacheng, liu zijia et ma chen pour mener à bien ce travail. des travaux connexes ont été publiés sous le titre "le développement d'un microscope à effet tunnel à balayage térahertz à basse température basé sur un schéma sans cryogène".rév. sci. instrument.95, 093703(2024).