導(dǎo)讀 

    原子上電流的超快控制對(duì)納米電子未來的創(chuàng)新至關(guān)重要。之前相關(guān)研究表明，將皮秒太赫茲脈沖耦合到金屬納米結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)納米尺度上度局部的瞬態(tài)電場。

正文

    近期，加拿大阿爾伯塔大學(xué)（University of Alberta）Frank A. Hegmann教授研究組在美國RHK Technology公司生產(chǎn)的商用超高真空掃描隧道顯微鏡（RHK-UHV-SPM 3000）系統(tǒng)上自主研發(fā)了太赫茲-掃描隧道顯微鏡（THz-STM），在超高真空中對(duì)Si(111)-(7×7)樣品表面執(zhí)行原子分辨率THz-STM測量，展示了超高真空中的THz-STM探索原子精度的超快非平衡隧道動(dòng)力學(xué)的*能力。

圖1：用THz-STM在超高真空中控制隧道電流

    在圖1(a)中可以看到，超快太赫茲（THz）脈沖通過反向視窗上的透鏡（左側(cè)）聚焦到超高真空（中間）的STM探針上，在隧道結(jié)（插圖）處產(chǎn)生隧道電流。圖1(c)中展示了耦合到STM針尖的太赫茲脈沖引發(fā)隨時(shí)間變化的偏壓（VTHz（t），紅色實(shí)線），驅(qū)動(dòng)超快太赫茲感應(yīng)電流（ITHz（t），藍(lán)色實(shí)線），從而產(chǎn)生整流的平均隧道電流。太赫茲脈沖性（0°, 90°, 180°）可用于控制太赫茲脈沖引起的整流隧道電流，如圖1(e)所示。電子從樣品向流動(dòng)，產(chǎn)生負(fù)的太赫茲性，從到樣品具有正的太赫茲性。

圖2：Si(111)- (7×7)上的單個(gè)原子非平衡隧穿的超快控制

    限太赫茲脈沖驅(qū)動(dòng)的隧道電流高達(dá)常規(guī)STM中穩(wěn)態(tài)電流的107倍，實(shí)現(xiàn)了以0.3nm的空間分辨率對(duì)硅表面上的單個(gè)原子成像，由此確定在高電流水平下的超快太赫茲脈沖驅(qū)動(dòng)隧道確實(shí)可以局域化為單原子。此外，測試結(jié)果表明解釋Si(111)-(7×7)上的太赫茲驅(qū)動(dòng)的STM（TD-STM）圖像的原子波紋（其中數(shù)百個(gè)電子在亞皮秒時(shí)間尺度內(nèi)隧穿），需要理解非平衡充電動(dòng)力學(xué)由硅表面的太赫茲脈沖引起。同時(shí)，單個(gè)原子的太赫茲驅(qū)動(dòng)隧道電流的方向可以通過太赫茲脈沖電場的性來控制。在太赫茲頻率下，類金屬Si(111)-(7×7)表面不能從體電子屏蔽電場，導(dǎo)致太赫茲隧道電導(dǎo)與穩(wěn)態(tài)隧道電導(dǎo)基本機(jī)制的不同。很顯然，這樣個(gè)的瞬態(tài)電流密度并不會(huì)影響所研究的單原子STM針尖或樣品表面原子，如同在傳統(tǒng)STM測試中具有如此大小隧道電流的Si(111)-(7×7)樣。

圖3：太赫茲感應(yīng)電流中的熱電子

    在高太赫茲場中觀察到了來自熱電子的隧道電流的額外貢獻(xiàn)。超快太赫茲誘導(dǎo)的帶狀彎曲和表面狀態(tài)的非平衡充電打開了新的傳導(dǎo)通路，使瞬態(tài)隧道電流在和樣品之間流動(dòng)。半導(dǎo)體表面的THz-STM為原子尺度上的超快隧穿動(dòng)力學(xué)提供了新的見解，這對(duì)于開發(fā)新型硅納米電子學(xué)和以太赫茲頻率工作的原子器件至關(guān)重要。

    美國RHK公司商用超高真空掃描隧道顯微鏡（RHK-UHV-SPM 3000）為THz-STM的研發(fā)提供了穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)，期待Frank A. Hegmann教授研究組用這個(gè)強(qiáng)大的科研武器取得更多的成果，同時(shí)希望更多的科研工作者能在THz-STM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展富有成效的學(xué)術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)：
1. Tyler L. Cocker, Frank A. Hegmann et al. An ultrafast terahertz scanning tunneling microscope. Nature Photonics, 151(2013).
2. Vedran Jelic, Frank A. Hegmann et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nature Physics, 4047(2017).