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la microscopia a tunneling a scansione terahertz (thz-stm) è una nuova tecnologia di analisi che ha sia una risoluzione spaziale su scala atomica che una risoluzione temporale ultraveloce.il principio è quello di combinare un microscopio criogenico a scansione tunnel con un laser a impulsi terahertz ultraveloce e focalizzare il laser a impulsi terahertz ultraveloce sulla giunzione del tunnel stm attraverso una lente. l'impulso terahertz genera un campo elettrico transitorio locale sulla giunzione del tunnel processo di tunneling della corrente su una scala temporale ultraveloce. la risoluzione temporale ultraveloce si ottiene in stm controllando la fase dell'inviluppo della portante (cep) degli impulsi terahertz e utilizzando la tecnologia della sonda a pompa.poiché l’interazione tra la materia e la luce terahertz contiene informazioni fisiche e chimiche molto ricche, la tecnologia stm terahertz è di grande importanza per esplorare l’eccitazione a bassa energia e i processi dinamici nella fisica e nella chimica della materia condensata.tuttavia, la costruzione di thz-stm deve superare molte difficoltà tecniche. attualmente, solo pochi gruppi al mondo hanno raggiunto un thz-stm a vuoto ultraelevato e a bassa temperatura con risoluzione temporale ultraveloce e risoluzione spaziale ultraelevata. .

istituto di fisica, accademia cinese delle scienze/laboratorio statale di fisica delle superfici, centro nazionale di ricerca per la fisica della materia condensata di pechino, gruppo sf09dopo anni di ricerca sui relè e ripetute ottimizzazioni, è stato costruito con successo un nuovo sistema thz-stm ad ultra alto vuoto e bassa temperatura progettato in modo completamente indipendente.questo sistema non utilizza il tradizionale design stm di tipo dewar a bassa temperatura, ma utilizza in modo innovativo un metodo di refrigerazione a flusso continuo privo di elio liquido per la refrigerazione. la struttura semplice di questo inserto a bassa temperatura consente di progettare la sonda centrale stm e la cavità ad altissimo vuoto in uno stile più compatto. posizionando la lente di focalizzazione all'esterno della cavità ad altissimo vuoto è comunque possibile ottenere un buon accoppiamento tra gli impulsi thz e quelli bassi -temperatura stm, ma migliora notevolmente la comodità di funzionamento. nella parte del percorso ottico thz, hanno utilizzato linbo₃il metodo del fronte d'onda inclinato a cristallo genera impulsi ultraveloci thz, che vengono focalizzati sulla giunzione del tunnel stm attraverso uno specchio parabolico per ottenere l'accoppiamento tra gli impulsi stm e thz. confocalizzando due fasci di impulsi thz con ritardi temporali regolabili alla giunzione del tunnel stm, è possibile eseguire un esperimento thz pump-probe, ottenendo così una risoluzione temporale. poiché questo nuovo design offre comodità operativa e può ottenere in modo efficiente una migliore messa a fuoco thz,la fotocorrente può raggiungere un livello massimo di 100 pa ad una frequenza di ripetizione di 1 mhz, corrispondente a ciascun impulso che fa emettere 1000 elettroni dalla punta. questa intensità di fotocorrente non è stata riportata in letteratura.

figura: (a sinistra) la testa di scansione stm è sospesa dal fondo della testa fredda e dalla camera ad altissimo vuoto tramite molle. (a destra) immagine a risoluzione atomica del segnale di autocorrelazione a doppio impulso sulla superficie ag (111) e del segnale fotocorrente estratto utilizzando il bloccaggio di fase chopper sulla superficie fese.

al momento, il sistema ha osservato segnali fotocorrenti stabili in una varietà di materiali e può raggiungere una risoluzione temporale inferiore al picosecondo e una risoluzione spaziale a livello atomico.ad esempio, l'imaging utilizzando la fotocorrente thz su un campione di fese ha osservato un reticolo chiaro di atomi di se e si è osservato che la fotocorrente thz mostra un comportamento unico vicino ai difetti, il che significa che la fotocorrente è in grado di trasportare corrente di tunneling cc che non può riflettere l'informazione il segnale di autocorrelazione a doppio impulso della fotocorrente thz ottenuto sulla superficie ag(111) ha un'ampiezza completa a metà massimo di 700fs, indicando che questo thz-stm può raggiungere una risoluzione temporale inferiore al picosecondo. il successo della costruzione di questo sistema ha aperto un nuovo mondo per la realizzazione della tecnologia stm ultraveloce risolta in tempo, fornendo un potente strumento per studiare i processi dinamici nella fisica della materia condensata. allo stesso tempo, sono stati forniti anche molti progetti innovativi in ​​questo sistema informazioni per altre nuove idee stm accoppiate otticamente.

questo lavoro è stato finanziato dalla national natural science foundation of china e dall’accademia cinese delle scienze. il ricercatore wu kehui, il ricercatore chen lan e il ricercatore associato cheng peng del gruppo sf09 dell'istituto di fisica hanno guidato gli studenti di dottorato zhang huaiyu, tian dacheng, liu zijia e ma chen a completare questo lavoro. il lavoro correlato è stato pubblicato con il titolo "lo sviluppo di un microscopio a effetto tunnel a scansione terahertz a bassa temperatura basato su uno schema privo di criogeno"rev. sci. strumento95, 093703(2024).