时空中的原子尺度分辨率

显微领域一个难以捉摸的挑战是在空间和时间上同时实现原子级分辨率。通过一项开创性的概念验证研究，德国的研究人员展示了一种通过结合使用扫描隧道显微镜和超短激光脉冲来实现这一目标的新技术。这种超高速高清显微镜在纳米电子学、光波电子学、化学和量子计算等领域具有广泛的应用。

通过将激光脉冲（红色）与扫描隧道显微镜相结合，当对具有原子空间分辨率的电子波包（有色波）等量子过程进行成像时，研究人员可以实现数百阿秒的时间分辨率。

该领域的瓶颈

当前能够在原子水平上分辨物体的成像技术（例如，扫描隧道显微镜）缺乏跟踪电子运动所需的时间分辨率。超快激光光谱仪可以在自然时标上测量电子动力学，但在空间清晰度方面没有达到标准。对于他的博士工作，德国马克斯·普朗克固体研究所的Manish Garg研究了飞秒物理学，发现自己对这种技术的低空间分辨率感到沮丧。结果，他开始研究电子脉冲，但在试图将其压缩到更短的时间尺度时碰到了问题，因为即使在真空中电子也会互相排斥。Garg说：“在很多技术中，您拥有一种分辨率（时间或空间分辨率），而您又努力获得另一种分辨率。”“这是一个很大的挑战，并且是该领域的一大瓶颈。”

超短光脉冲

Garg和他的同事，扫描隧道显微镜专家Klaus Kern通过将超快激光脉冲的锁相序列与扫描隧道显微镜集成在一起，克服了这一障碍。这项技术首次能够同时探测亚埃和亚飞秒范围内的电子动力学，这是原子的自然长度和时标。研究人员将持续时间少于6飞秒的光脉冲聚焦到扫描隧道显微镜中的纳米尖端的顶点。脉冲以相同的载波-包络相位精确调谐，从而产生了一个高电场，降低了隧穿势垒。电子在纳米尖端和样品之间隧穿，并且通过测量该感应隧穿电流的强度变化，它们可以高速分辨表面中的原子级动力学。Garg和Kern通过研究金纳米棒中电子集体振荡的载流子衰减动力学，证明了其器件的强大功能。

量子世界的相机

这种类型的光场驱动隧道显微镜能够以与传统扫描隧道显微镜相同的空间分辨率对表面进行地形图绘制。控制小时间尺度上电子隧穿的附加功能从本质上将显微镜转变为用于量子世界的高速相机。Garg说：“所有电子产品都在缩小尺寸，如果您想了解电路小尺寸中发生的电子动力学，您应该可以使用我们的技术来做到这一点。”