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테라헤르츠 주사 터널링 현미경(thz-stm)은 원자 수준의 공간 분해능과 초고속 시간 분해능을 모두 갖춘 새로운 분석 기술입니다.원리는 극저온 주사 터널링 현미경과 초고속 테라헤르츠 펄스 레이저를 결합하고, 초고속 테라헤르츠 펄스 레이저를 렌즈를 통해 stm 터널 접합부에 집중시켜 터널 접합부에 국지적 과도 전기장을 생성하는 것입니다. 초고속 시간 규모의 전류 터널링 과정. stm에서는 테라헤르츠 펄스의 cep(캐리어 포락선 위상)를 제어하고 펌프 프로브 기술을 사용하여 초고속 시간 분해능을 달성합니다.물질과 테라헤르츠 빛 사이의 상호 작용에는 매우 풍부한 물리적, 화학적 정보가 포함되어 있기 때문에 테라헤르츠 stm 기술은 응집 물질 물리학 및 화학에서 저에너지 여기 및 동적 과정을 탐구하는 데 큰 의미가 있습니다.그러나 thz-stm을 구축하려면 많은 기술적 어려움을 극복해야 합니다. 현재 초고속 시간 분해능과 초고공간 분해능을 모두 갖춘 초고진공 및 저온 thz-stm을 달성한 그룹은 세계에서 소수에 불과합니다. .

중국과학원 물리학 연구소/sf09 그룹의 베이징 국립 응집물리학 연구센터 표면 물리학 국가 중점 연구소수년간의 릴레이 연구와 반복적인 최적화 끝에 완전히 독립적으로 설계된 새로운 초고진공 및 저온 thz-stm 시스템이 성공적으로 구축되었습니다.이 시스템은 기존의 저온 dewar형 stm 설계를 사용하지 않고, 냉동을 위해 액체 헬륨이 없는 연속 흐름 냉동 방식을 혁신적으로 사용합니다. 이 저온 인서트의 간단한 구조 덕분에 stm 코어 프로브와 초고진공 캐비티를 보다 컴팩트한 스타일로 설계할 수 있습니다. 초고진공 캐비티 외부에 포커싱 렌즈를 배치해도 thz 펄스와 저전력 간의 우수한 결합을 달성할 수 있습니다. -온도 stm이지만 작동 편의성이 크게 향상됩니다. thz 광 경로 부분에서는 linbo를 사용했습니다.₃수정 경사 파면 방법은 thz 초고속 펄스를 생성하며, 이는 포물선 거울을 통해 stm 터널 접합에 집중되어 stm과 thz 펄스 간의 결합을 달성합니다. stm 터널 접합에 대해 조정 가능한 시간 지연을 사용하여 두 개의 thz 펄스 빔을 공초점화함으로써 thz 펌프-프로브 실험을 수행하여 시간 분해능을 달성할 수 있습니다. 이 새로운 디자인은 작동 편의성을 제공하고 더 나은 thz 포커싱을 효율적으로 달성할 수 있기 때문에,광전류는 1mhz의 반복 주파수에서 최대 100pa에 도달할 수 있으며, 이는 팁에서 방출되는 1000개의 전자를 구동하는 각 펄스에 해당합니다. 이 광전류 강도는 과거 문헌에서 보고되지 않았습니다.

그림: (왼쪽) stm 스캐닝 헤드는 스프링을 통해 콜드 헤드 바닥과 초고진공 챔버에 매달려 있습니다. (오른쪽) ag(111) 표면의 이중 펄스 자기상관 신호와 fese 표면의 초퍼 위상 잠금을 사용하여 추출된 광전류 신호의 원자 분해능 이미지.

현재 이 시스템은 다양한 재료에서 안정적인 광전류 신호를 관찰했으며 피코초 미만의 시간 분해능과 원자 수준의 공간 분해능을 달성할 수 있습니다.예를 들어, fese 샘플에서 thz 광전류를 사용한 이미징은 se 원자의 명확한 격자를 관찰하고 thz 광전류가 결함 근처에서 고유한 동작을 나타내는 것을 관찰했습니다. 이는 광전류가 thz 정보를 반영할 수 없는 dc 터널링 전류를 전달할 수 있음을 의미합니다. ag(111) 표면에서 얻은 광전류 이중 펄스 자기상관 신호는 최대 700fs의 절반 폭을 가지며, 이는 이 thz-stm이 피코초 미만의 시간 분해능을 달성할 수 있음을 나타냅니다. 이 시스템의 성공적인 구축은 초고속 시간 분해 stm 기술 실현을 위한 새로운 세계를 열었고, 동시에 이 시스템의 많은 혁신적인 설계도 제공했습니다. 다른 광학적으로 결합된 stm에 대한 정보.

이 연구는 중국 국립자연과학재단과 중국과학원의 자금 지원을 받았습니다. wu kehui 연구원, chen lan 연구원, 물리학 연구소 sf09 그룹의 cheng peng 부연구원은 박사 과정 학생인 zhang huaiyu, tian dacheng, liu zijia 및 ma chen이 이 작업을 완료하도록 안내했습니다. '무극저온유체 방식 기반 저온 테라헤르츠 주사 터널링 현미경 개발'이라는 제목으로 관련 논문이 게재됐다.목사 과학. 악기. 95, 093703(2024).