金表面上并五苯分子的超快振动
图片来源：Dominik Peller
物理学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因光镊技术（optical tweezers）获得了今年的诺贝尔物理学奖。光镊技术利用高度聚焦的激光束产生的力，来操纵纳米至微米级粒子比如原子、分子甚至生物细胞。然而除了激光，诞生于上世纪 80 年代的扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy, STM）同样也能操纵分子和原子。
光镊
图片来源：imaging-git.com
STM 的作用原理建立在量子隧穿效应（tunneling effect）的基础上。在经典物理中，一个粒子不可能越过一个比它能量还高的势垒；而在量子力学中，粒子有一定几率能穿过这个势垒。若 STM 的扫描探针与样品足够接近（0.5-1nm），它们之间就会出现隧穿电流。在的探针和样品间加一个恒定的电压，就可以得到稳定的隧穿电流。用探针对样品表面进行光栅扫描，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。
STM 的发明，让我们第一次 “看到”分子和原子的庐山真面目。扫描探针不仅可以执行扫描样品表面信息的任务，同时也是一种实现操纵分子和原子的强有力工具。
想要顺利的操纵分子或原子，可以利用探针拨动它们，也可以通过针尖对分子、原子加一个脉冲电压，诱发其簸动。对分子和原子的成功操纵，使得纳米尺度下特殊微结构的“人工合成”成为可能，对分子间化学键的形成过程、分子马达的转动机制和分子器件的研究也有着巨大的推进作用。
A Boy and His Atom——世界上最小的视频
为了鼓励更多的人关注纳米科技，来自法国国家科研中心（CNRS）材料制造与结构研究中心（CEMES）和保罗·萨巴捷大学（Paul Sabatier University）的化学家们共同发起了“纳米车”大赛（Nanocar Race）。
去年一共有 6 支来自 6 个不同国家的科研团队参加了比赛，其中 4 组在法国图卢兹的实验室里参赛。研究人员在同一表面上利用具有 4 个探针的 STM，进行他们的纳米赛车比赛；另外 2 组则在同一地点远程操纵位于他们自己实验室的“纳米车”。
比赛所用赛道是一条真正的“黄金赛道”——金（111）单晶表面。每组队伍只能用电激励的方式来“驾驶”他们的纳米小车，他们需要在 38 小时之内让小车完成 20nm+转弯+50nm+转弯+20nm 的“急速”行驶。驾驶纳米车并非易事，美国-奥地利联队用 29 小时让纳米车“跑了”1 微米的距离，而瑞士的队伍则在 6 个半小时内让他们的纳米车“跑”出了 133nm 的好成绩，这两支队伍在去年共同获得第一名。
去年的纳米车大赛
STM 的功能已经无法满足科学家对纳米世界的深入探索了。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。比如为研究分子或原子的磁性制造出的自旋极化扫描隧道显微镜，和为研究分子中化学键的性质开发出的非接触式原子力显微镜/扫描隧道显微镜。最近，一些科学家试图将太赫兹技术（terahertz technology，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。）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。
去年，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）的研究小组第一次观测到硅单晶样品表面上的太赫兹电子动力学过程，利用的正是他们开发的太赫兹扫描隧道显微镜（THz-STM），开启了 THz-STM 的光明未来。
“我们可以在超快时间尺度下，以原子级精确度放大观察超快电子过程。”阿尔伯塔大学的博士生 Vedran Jelic 解释道，“THz-STM 为我们提供了窥探纳米世界的全新窗口，让我们可以对原子尺度内的超快过程一窥究竟。在这里我们谈论的是皮秒（10-12s）水平，也就是万亿分之一秒。它在此之前还没有被实现过。”
阿尔伯塔大学设计的太赫兹扫描隧道显微镜。
图片来源：Nature Physics 13, 591–598 (2017)
今年 7 月，一支由东京大学、横滨国立大学和滨松光子学中央研究院的科学家们组成的联合研究团队，通过在 THz-STM 上加入一个移相器，实现了对超快过程的精确操纵。
Jun Takeda 教授（左）和 Katsumasa Yoshioka (右) 图片来源：phys.org，横滨国立大学
传统 STM 中，探针的位置和形状、电压的强度以及表面材料的导电性和密度都能提供有用的信息，使科学家可以更好的理解被测量材料的原子结构。同时，通过改变这些变量，材料能够被人为操控。
然而到目前为止，对隧穿电子的精确操纵仍是一个亟待攻破的难题。日本的研究人员设计出了一种太赫兹脉冲周期（terahertz pulse cycle），可以让太赫兹脉以设定的电流快速地在近场和远场间振荡。他们的研究结果于 7 月 20 日发表在《纳米快报》（Nano Letter）上。
(a) 相位控制 THz-STM 的流程图；(b) 相位控制和延迟控制的太赫兹近场诱导的超快电流爆发。在探针和样品间，由一个正弦太赫兹近场产生的超快双相电流爆发。
图片来源：phys.org，横滨国立大学
“在隧道结（tunnel junction）中对近场的表征和主动控制，对于在纳米尺度内推动光场驱动进程的精确操纵至关重要。”横滨国立大学物理系教授 Jun Takeda 说，“我们展示了利用移相器在 THz-STM 中的隧道结中能产生理想的近场相控制。”
根据 Takeda 的解释，在此之前的大部分工作都作了一个假设，即近场和远场在时间和空间上是一样的。但 Takeda 的团队在仔细检查了近场和远场后，不仅发现了这两者之间的区别，同时也发现：快速激光的脉冲能激励太赫兹脉冲所需相移，将电流切换到近场。
“我们的工作对纳米级固态系统中的强场物理有巨大的推进作用，如用在 DVD 和蓝光光学存储介质中的相变材料，和下一代超快电子设备和显微镜。”Takeda 解释道。
人类对未知的探索催生了许多新技术的诞生，结合了太赫兹技术的 STM 便是一个非常好的例子。除了对样品表面的形貌测量和电子性质测量外，传统的 STM 已然陷入了研究瓶颈期，迫切需要新的外援技术加持，让它可以在更广泛研究领域发光发热。
一个“超快速”的成像技术时代即将来临！
论文链接：
https://www.nature.com/articles/nphys4047
http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b02161
参考资料：
https://www.independent.co.uk/news/science/worlds-smallest-movie-ibm-uses-individual-atoms-to-make-record-breaking-short-film-of-boy-kicking-8599132.html
https://www.nature.com/articles/nnano.2017.179
http://nanocar-race.cnrs.fr/indexEnglish.php
https://phys.org/news/2017-03-world-international-molecular-cars-nanocar.html
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/4/374522.shtm
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181011112418.htm
https://phys.org/news/2018-10-scientists-method-nanoscale-high-powered-microscopes.html
https://phys.org/news/2017-02-scientists-combine-ultra-fast-ultra-small-microscopy.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Ashkin
https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers
发表于 2018-11-7 21:34
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