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テラヘルツ走査トンネル顕微鏡 (thz-stm) は、原子スケールの空間分解能と超高速時間分解能の両方を備えた新しい分析技術です。原理は、極低温走査トンネル顕微鏡と超高速テラヘルツパルスレーザーを組み合わせ、レンズを介して超高速テラヘルツパルスレーザーをstmトンネル接合に集束させることで、トンネル接合上に局所的な過渡電場を生成し、それによってstmトンネル接合を制御します。超高速の時間スケールでの電流のトンネルプロセス。 stm では、テラヘルツ パルスのキャリア エンベロープ位相 (cep) を制御し、ポンプ プローブ技術を使用することにより、超高速の時間分解能が実現されます。物質とテラヘルツ光の間の相互作用には非常に豊富な物理的および化学的情報が含まれているため、テラヘルツstm技術は、物性物理学および化学における低エネルギー励起および動的プロセスを探索する上で非常に重要です。しかし、thz-stmの構築には多くの技術的困難を克服する必要があり、現在、超高速時間分解能と超高空間分解能の両方を備えた超高真空・低温thz-stmを達成しているグループは世界でわずか数社しかありません。 。

中国科学院物理研究所/北京国立物性物理研究センター表面物理学国家重点研究所、グループsf09長年にわたるリレーの研究と繰り返しの最適化を経て、完全に独立して設計された新しい超高真空および低温 thz-stm システムの構築に成功しました。このシステムは、従来の低温デュワー型 stm 設計を使用せず、液体ヘリウムを使用しない連続フロー冷凍方式を革新的に冷凍に使用しています。この低温インサートのシンプルな構造により、stm コアプローブと超高真空キャビティをよりコンパクトなスタイルで設計でき、集束レンズを超高真空キャビティの外側に配置しても、thz パルスと低温度パルス間の良好な結合を実現できます。 -温度stmですが、操作の利便性が大幅に向上します。 thz光路部分にはlinboを使用₃結晶傾斜波面法は thz 超高速パルスを生成し、放物面鏡を介して stm トンネル接合に集束させ、stm パルスと thz パルス間の結合を実現します。調整可能な時間遅延を備えた 2 つの thz パルス ビームを stm トンネル接合に共焦点にすることにより、thz ポンプ プローブ実験を実行でき、それによって時間分解能が達成されます。この斬新な設計は操作上の利便性をもたらし、より優れたthz集束を効率的に達成できるため、光電流は、チップから放出される1000個の電子を駆動する各パルスに相当する、1mhzの繰り返し周波数で最大レベル100paに達する可能性があります。この光電流強度は過去の文献では報告されていません。

図: (左) stm スキャニング ヘッドは、スプリングを介してコールド ヘッドと超高真空チャンバーの底部から吊り下げられています。 (右) ag(111) 表面上のダブルパルス自己相関信号と、fese 表面上のチョッパー位相ロックを使用して抽出された光電流信号の原子分解能画像。

現在、このシステムはさまざまな物質で安定した光電流信号を観測しており、サブピコ秒の時間分解能と原子レベルの空間分解能を達成することができます。たとえば、fese サンプル上で thz 光電流を使用したイメージングでは、se 原子の明確な格子が観察され、thz 光電流が欠陥付近で独特の挙動を示すことが観察されました。これは、光電流が thz 情報を反映できない dc トンネル電流を流すことができることを意味します。 ag(111) 表面で得られた光電流ダブルパルス自己相関信号の半値全幅は 700fs であり、この thz-stm がサブピコ秒の時間分解能を達成できることを示しています。このシステムの構築の成功により、超高速時間分解 stm 技術の実現に新たな世界が開かれ、物性物理学の動的プロセスを研究するための強力なツールが提供されました。同時に、このシステムの多くの革新的な設計も提供されました。他の光結合 stm に関する情報。

この研究は、中国国家自然科学財団と中国科学院から資金提供を受けました。物理学研究所sf09グループのwu kehui研究員、chen lan研究員、cheng peng准研究員は、博士課程の学生zhang huaiyu、tian dacheng、liu zijia、ma chenを指導してこの研究を完成させた。関連論文を「無冷媒方式による低温テラヘルツ走査型トンネル顕微鏡の開発」というタイトルで出版しました。科学牧師。楽器.95、093703(2024)。