近日，北京大学物理学院量子材料科学中心江颖教授团队及其合作者研制出国内较快扫描隧道显微镜，实现了飞秒级时间分辨和原子级空间分辨，并捕捉到金属氧化物表面单个极化子的非平衡动力学行为。

       此前，江颖团队及合作者还取得了一系列成果：通过实验技术和理论方法的双重突破，在国际上率先实现了对原子核量子态的精确描述，揭示了水的核量子效应，该成果发表于《科学》期刊；通过开发新型扫描探针技术，在国际上获得了单个钠离子水合物的原子级分辨图像，该成果发表于《自然》期刊；首次在实验上证实了冰在二维极限下可以稳定存在，拍摄并揭示了二维冰的独特形成过程和生长机制，该成果发表于《自然》期刊。

       今天，就让我们一起了解北大科学家的量子科学世界吧！致力于提高STM的时间分辨率，八年磨一剑，扫描隧道显微镜是一种空间分辨率可以达到原子量级的微观探测工具。

       然而，受电流放大器带宽的局限，其时间分辨一般只能达到微秒量级(10-6s)，而很多微观动力学过程往往发生在皮秒(10-12 s)和飞秒(10-15 s)量级。为了提高STM的时间分辨率，其中一种比较可行的办法是将超快激光的泵浦-探测(pump-probe)技术和STM相结合，利用超快光与电子隧穿过程的耦合来实现“飞秒-埃”尺度的极限探测。

       尽管超快激光技术和STM相耦合的概念在上世纪90年代就被提出，但是相关研究受限于一系列技术难点，进展非常缓慢。近年来，超快STM的原始概念和核心技术开始出现革新，北京大学物理学院江颖课题组也于2012年加入了激烈的国际竞争。

       团队独立研发并掌握了若干关键技术，历经图纸设计、机械加工、组装对接、性能测试等环节，扫描探头、真空系统、控制电路、光耦合系统等关键部件全部自行制作，在两届博士生的接力和反复试错后最终研制出了全新一代超快STM系统，使得原子尺度上的超快动力学探测成为可能。

       该系统可工作在超高真空液氦温度环境，较高时间分辨率可达百飞秒，最长时间延迟可达微秒量级，相关性能参数达到国际较好水平。这也是国内首台可实现飞秒时间分辨的STM系统。

       利用这台设备，并结合第一性原理计算，研究人员对单个极化子的非平衡动力学过程进行了深入研究。

       极化子是材料中单个电子与周围晶格相互作用形成的一种准粒子。金属氧化物材料中所表现出的许多奇特的物性，例如：光催化、高温超导、热电以及巨磁阻等现象，都与极化子具有密切的关系。

       通过测量时间分辨的单个极化子动力学，研究人员发现，当极化子被两个氧缺陷束缚时，其被捕获的时间比只有一个氧缺陷时明显要短。然而，自由电子寿命对氧缺陷的原子尺度聚集并不敏感，但强烈依赖于纳米尺度的平均缺陷密度。该工作首次揭示了原子尺度环境对极化子非平衡动力学过程的重要影响，为光催化反应中的高活性位点提供了新的微观图像，同时也为纳米光催化材料的缺陷工程提供了全新的思路。

       一次次挑战争论不休的难题，揭示悬而未决的奥谜。从测定氢键的量子成分、首次在原子尺度揭示水的核量子效应，到开发基于高阶静电力的新型扫描探针技术、实现氢原子的直接成像和定位、获得单个钠离子水合物的原子级分辨图像，到利用非侵扰式原子力显微镜技术、以原子级分辨率拍到了二维冰的形成过程，再到研制出国内首台超快扫描隧道显微镜，实现了飞秒级时间分辨和原子级空间分辨……