视频|针尖上的“舞蹈”,看见一个个原子

南方+ 记者

针尖上的“舞蹈”,看见一个个原子

怎样看清一颗子弹击穿墙壁的瞬间?

子弹射击速度之快,用肉眼很难看清楚,但随着技术进步,一台高速摄像机就能记录下其穿透墙壁的瞬间。

但如果这颗子弹是原子或者电子,想要“看清”微观世界粒子的运动,难度有多大?

诺贝尔奖获得者理查德·菲利普·费曼曾经做过比喻,如果把苹果放大到地球那样大,那么苹果中的原子就差不多有原来的苹果那样大。从太空中看清地球上的一个苹果,难度可想而知。

今年,广州研发出了一台“看清”微观世界的超快相机,为中国窥探微观世界提供了一双“火眼金睛”。

近日,位于广州黄埔的中国科学院空天信息创新研究院(广州园区)-广东大湾区空天信息研究院(下称“大湾区研究院”)成功研制出太赫兹扫描隧道显微镜系统,实现了优于原子级(埃级)的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率,为国内首套自主研制的太赫兹扫描隧道显微镜系统,在该领域实现与国际先进水平同步。

在显微镜的探针针尖的“舞蹈”下,人们不仅可以“看到”原子,还能对原子尺度内的超快过程一窥究竟,或许可以在万亿分之一秒的超快时间尺度下“看清”电子态。

有人称太赫兹为看不见的幽灵,但它却透视一切。太赫兹波是人类迄今为止了解最少、开发最少的一个波段。而结合太赫兹技术,大湾区研究院一个平均年龄不到35岁的研究团队,仅花一年时间,就研制出这套设备,填补了国内该领域的研究空白。

人们第一次“看到”分子和原子,要从上世纪说起。

上世纪70年代后期,有两位物理学家想做一件以前没人做过的事:观察金属片中的单个原子。

于是,在1982年,德国物理学家格尔德·宾宁和瑞士物理学家海因里希·罗雷尔发明出世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(STM),并因此获得了诺贝尔奖。

STM 的发明,让人们第一次“看到”分子和原子的庐山真面目,同时也为人们实现操纵分子和原子提供了一种强有力工具。

人类探索未知永不止步。当我们对宇宙和生命的认识越多,我们就越需要先进的工具。渐渐的,STM已经无法满足科学家对纳米世界的深入探索。许多研究人员试图将它与其它的技术结合,赋予 STM 技术新的机遇。

一些科学家将太赫兹技术与 STM 结合起来,用以测量样品表面发生的超快电子过程,并用光实现精准操纵。太赫兹泛指频率在0.1~10太赫兹波段内的电磁波,处于宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学的过渡区域。

简单来看,太赫兹扫描隧道显微镜是一个超快速相机。只不过,这个相机的观察、拍摄对象是微观世界。

2013年,加拿大阿尔伯塔大学教授Frank Hegmann,首次将太赫兹脉冲和STM结合,实现了亚皮秒时间分辨和纳米空间分辨,随后德国、美国等著名科研团队纷纷开展相关技术研究。

但我国在该领域的研究一直处于空白。在今年,这一空白终于被打破。

2022年2月,大湾区研究院成功研制出太赫兹扫描隧道显微镜系统,最大的特点就是兼顾了时空分辨率,达到了优于原子级(埃级)的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率,可同时实现高时间和空间分辨率下的精密检测。

“我们在扫描隧道显微镜基础上,把其与超快的太赫兹脉冲进行了一个结合,实现了高时间分辨率下的高空间分辨率。”研究室主任也是该项目团队的负责人王天武表示,太赫兹扫描隧道显微镜由三大部分构成,一是太赫兹,包括产生、调制、控制、耦合;二是扫描隧道显微镜;三是软件控制,以实现自动化切换与信号采集。

这样的时空分辨率意味着,我们窥探纳米世界有了一个全新窗口。人们不仅可以“看到”原子,还可以对原子尺度内的超快过程一探究竟。比如,或许可以在万亿分之一秒的超快时间尺度下“看清”电子态。

“理想很丰满,现实很骨感,比如说一个螺丝钉就难倒很多人。”回忆起研发过程,王天武说,最大的问题就是太赫兹看不见。

有人称太赫兹为看不见的“幽灵”。用一个看不见的“幽灵”去“捕捉”量子力学领域的粒子,难度不言而喻。

“比如太赫兹在传输的过程中,它的准确度、稳定性不好控制的,尤其是它的极性在扫描隧道显微镜工作中是需要做调制的。”王天武说,在研究过程中,团队突破了太赫兹脉冲包络相位调制、太赫兹与扫描隧道针尖耦合等难点。

扫描隧道显微镜能“看到”原子,是通过一个极细的探针对样品表面进行机械扫描,样品表面电子态的形貌信息便可通过 STM 传入电脑中进行成像。想要操纵分子或原子,可利用探针拨动它们,也可通过针尖对原子加一个脉冲电压,诱发其簸动。

但针尖和样品的距离不到一纳米,相当于一根头发丝的六万分之一。团队遇到的一大难点,就是加诸针尖的太赫兹脉冲不好控制,面对不同的实验样品,需精准调控其电子流动方向从针尖流动到样品表面,一旦操控不好,就前功尽弃。

“为了解决这一难题,我们用超材料做了一个芯片,专门控制太赫兹。”王天武所说的芯片是柔性太赫兹载波包络移相器,是太赫兹扫描隧道显微镜系统的核心部件。

这是王天武和他的研究团队首次利用“超材料”在亚波长厚度和不改变THz电场极化的情况下实现了对宽带THz载波包络相位(CEP)的消色差可控相移,其CEP的相移高达2π。与传统的THz载波包络移相器相比,该移相器具有超薄、柔性、低插损、易于安装和操作等优点。该项研究成果已经发表在《先进光学材料》。

“针尖想实现原子级的分辨率,需要用针尖尖端调动单一原子,其实用飞秒光来做超快成像是更好的,更容易操控,但因为光热能量较高,影响其稳定性。”王天武介绍,相比于光,太赫兹波段其光子能量非常低,热效应也很小,可以实现良好空间分辨率。

太赫兹扫描隧道显微镜系统到底能做些什么?

“看”得清,是为了探索更多未知。王天武的终极目标是,研究电子在原子级结构能级之间的跃迁过程,国际尚未有人实现这一目标。

“因为有高时间和高空间分辨表征手段,太赫兹扫描隧道显微镜为进一步揭示微纳尺度下电子的超快动力学过程提供了强有力的技术手段,可用于新型量子材料、微纳光电子学、生物医学、超快化学等诸多领域,有望取得具有重要国际影响力的原创性科研成果。”王天武说。

国际顶尖科技期刊《Science》曾提出了最具挑战性的125个科学前沿问题,其中一些就都跟微观动力学相关。如超导、磁学等凝聚态物理都涉及微观动力学的研究,利用超快光场驱动半导体材料中电子的运动推动现代电子技术的应用和发展,分子生物学和生物医学中生物分子内的电子迁移是理解生化反应、癌症微观致病机理及生理功能运作的关键......

“晶体管要发生革命性的变革,芯片上集成的晶体管尺度会越来越小,响应时间也会越来越快,这要求表征设备不仅有空间表征能力,还要有时间表征能力,太赫兹扫描隧道显微镜就是这样的设备。”王天武说,晶体管通过电子工作,通过对电子的操控,就可以发现其在超快时间尺度上的响应过程,这种超快时间达到飞秒水平,也就是一千万亿分之一秒。

不只是晶体管,在王天武看来,太赫兹扫描隧道显微镜在微纳结构的超快动力学的研究上前景广阔。

“很多做研究的单位,一看这个设备就眼睛放光了,很想和我们合作。”王天武说,现在该院已经和电子科大、中科院的合肥物质科学研究院等进行合作,未来或将推出商用的太赫兹扫描隧道显微镜,这在国际上都是没有的。

填补国内的空白,背后是一所“年轻”的研究院——广东大湾区空天信息研究院。

太赫兹量子电磁学超算组、太赫兹天馈微系统关键技术研究组......走进广东大湾区空天信息研究院,一个个悬挂在空中的蓝色招牌颇为醒目。

说它年轻,一是因为它成立于2019年3月15日,今年也不过才3岁多。二是研究团队非常年轻。以研发太赫兹扫描隧道显微镜系统的团队为例,十多人的团队平均年龄不到35岁。王天武今年38岁,是这支团队中年龄最大的。

就是这样一只年轻的团队,仅仅用了12个月,就攻破了太赫兹脉冲相位调制、太赫兹与扫描隧道针尖耦合等核心关键技术,实现与国际先进水平同步。

“我们年轻人赶上了好时候,有了这么好的平台,是完全有机会来做一些开创性、有影响力的研究成果。”王天武说,黄埔区乃至广州的发展环境确实很好,给了该院很大的支持,黄埔区经常来问院里有什么需求,有什么需要解决的问题。

截至目前,大湾区研究院已引进人才200余人,其中海外引进高层次人才8人,已初步构建了以硕士、博士为主的年轻科研团队。

据王天武介绍,大湾区研究院将围绕制约人类利用太赫兹频谱资源的主要科学问题和技术瓶颈,依托空天信息创新研究院的技术、人才和成果等优势,立足粤港澳大湾区,面向全球,致力于太赫兹基础科学前沿、核心器件以及应用系统集成等研究工作,重点突破制约太赫兹发展的基础理论方法和核心关键技术,构建完整的从太赫兹基础科学研究、核心器件、系统集成到工程化应用及产业化的创新链条,逐步形成引领太赫兹科技发展的学术高地、创新高地、人才高地和产业高地。

【南方日报记者】吴雨伦

【实习生】罗静宜

【摄影】梁钜聪

【剪辑】王俊涛

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编辑 梅雅玲
校对 潘俊杰
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