兩大技術強強聯合，電子也躲不掉被人類操控

知識 11-05

金表面上並五苯分子的超快振動

圖片來源：Dominik Peller

撰文向菲菲

編輯明小

物理學家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因光鑷技術（optical tweezers）獲得了今年的諾貝爾物理學獎。光鑷技術利用高度聚焦的激光束產生的力，來操縱納米至微米級粒子比如原子、分子甚至生物細胞。然而除了激光，誕生於上世紀 80 年代的掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscopy,STM）同樣也能操縱分子和原子。

光鑷

圖片來源：imaging-git.com

STM 的作用原理建立在量子隧穿效應（tunneling effect）的基礎上。在經典物理中，一個粒子不可能越過一個比它能量還高的勢壘；而在量子力學中，粒子有一定幾率能穿過這個勢壘。若 STM 的掃描探針與樣品足夠接近（0.5-1nm），它們之間就會出現隧穿電流。在的探針和樣品間加一個恆定的電壓，就可以得到穩定的隧穿電流。用探針對樣品表面進行光柵掃描，樣品表面電子態的形貌信息便可通過 STM 傳入電腦中進行成像。

STM 的發明，讓我們第一次「看到」分子和原子的廬山真面目。掃描探針不僅可以執行掃描樣品表面信息的任務，同時也是一種實現操縱分子和原子的強有力工具。

想要順利的操縱分子或原子，可以利用探針撥動它們，也可以通過針尖對分子、原子加一個脈衝電壓，誘發其簸動。對分子和原子的成功操縱，使得納米尺度下特殊微結構的「人工合成」成為可能，對分子間化學鍵的形成過程、分子馬達的轉動機制和分子器件的研究也有著巨大的推進作用。

A Boy and His Atom——世界上最小的視頻

為了鼓勵更多的人關注納米科技，來自法國國家科研中心（CNRS）材料製造與結構研究中心（CEMES）和保羅·薩巴捷大學（Paul Sabatier University）的化學家們共同發起了「納米車」大賽（Nanocar Race）。

去年一共有 6 支來自 6 個不同國家的科研團隊參加了比賽，其中 4 組在法國圖盧茲的實驗室里參賽。研究人員在同一表面上利用具有 4 個探針的 STM，進行他們的納米賽車比賽；另外 2 組則在同一地點遠程操縱位於他們自己實驗室的「納米車」。

比賽所用賽道是一條真正的「黃金賽道」——金（111）單晶表面。每組隊伍只能用電激勵的方式來「駕駛」他們的納米小車，他們需要在 38 小時之內讓小車完成 20nm+轉彎+50nm+轉彎+20nm 的「急速」行駛。駕駛納米車並非易事，美國-奧地利聯隊用 29 小時讓納米車「跑了」1 微米的距離，而瑞士的隊伍則在 6 個半小時內讓他們的納米車「跑」出了 133nm 的好成績，這兩支隊伍在去年共同獲得第一名。

去年的納米車大賽

STM 的功能已經無法滿足科學家對納米世界的深入探索了。許多研究人員試圖將它與其它的技術結合，賦予 STM 技術新的機遇。比如為研究分子或原子的磁性製造出的自旋極化掃描隧道顯微鏡，和為研究分子中化學鍵的性質開發出的非接觸式原子力顯微鏡/掃描隧道顯微鏡。最近，一些科學家試圖將太赫茲技術（terahertz technology，太赫茲泛指頻率在0.1～10太赫茲波段內的電磁波，處於宏觀經典理論向微觀量子理論、電子學向光子學的過渡區域。）與 STM 結合起來，用以測量樣品表面發生的超快電子過程，並用光實現精準操縱。

去年，加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta）的研究小組第一次觀測到硅單晶樣品表面上的太赫茲電子動力學過程，利用的正是他們開發的太赫茲掃描隧道顯微鏡（THz-STM），開啟了 THz-STM 的光明未來。

「我們可以在超快時間尺度下，以原子級精確度放大觀察超快電子過程。」阿爾伯塔大學的博士生 Vedran Jelic 解釋道，「THz-STM 為我們提供了窺探納米世界的全新窗口，讓我們可以對原子尺度內的超快過程一窺究竟。在這裡我們談論的是皮秒（10-12s）水平，也就是萬億分之一秒。它在此之前還沒有被實現過。」

阿爾伯塔大學設計的太赫茲掃描隧道顯微鏡。

圖片來源：Nature Physics 13, 591–598 (2017)

今年 7 月，一支由東京大學、橫濱國立大學和濱松光子學中央研究院的科學家們組成的聯合研究團隊，通過在 THz-STM 上加入一個移相器，實現了對超快過程的精確操縱。

Jun Takeda 教授（左）和 Katsumasa Yoshioka (右) 圖片來源：phys.org，橫濱國立大學

傳統 STM 中，探針的位置和形狀、電壓的強度以及表面材料的導電性和密度都能提供有用的信息，使科學家可以更好的理解被測量材料的原子結構。同時，通過改變這些變數，材料能夠被人為操控。

然而到目前為止，對隧穿電子的精確操縱仍是一個亟待攻破的難題。日本的研究人員設計出了一種太赫茲脈衝周期（terahertz pulse cycle），可以讓太赫茲脈以設定的電流快速地在近場和遠場間振蕩。他們的研究結果於 7 月 20 日發表在《納米快報》（Nano Letter）上。

(a) 相位控制THz-STM的流程圖；(b) 相位控制和延遲控制的太赫茲近場誘導的超快電流爆發。在探針和樣品間，由一個正弦太赫茲近場產生的超快雙相電流爆發。

圖片來源：phys.org，橫濱國立大學

「在隧道結（tunnel junction）中對近場的表徵和主動控制，對於在納米尺度內推動光場驅動進程的精確操縱至關重要。」橫濱國立大學物理系教授 Jun Takeda 說，「我們展示了利用移相器在 THz-STM 中的隧道結中能產生理想的近場相控制。」

根據 Takeda 的解釋，在此之前的大部分工作都作了一個假設，即近場和遠場在時間和空間上是一樣的。但 Takeda 的團隊在仔細檢查了近場和遠場後，不僅發現了這兩者之間的區別，同時也發現：快速激光的脈衝能激勵太赫茲脈衝所需相移，將電流切換到近場。

「我們的工作對納米級固態系統中的強場物理有巨大的推進作用，如用在 DVD 和藍光光學存儲介質中的相變材料，和下一代超快電子設備和顯微鏡。」Takeda 解釋道。

人類對未知的探索催生了許多新技術的誕生，結合了太赫茲技術的 STM 便是一個非常好的例子。除了對樣品表面的形貌測量和電子性質測量外，傳統的 STM 已然陷入了研究瓶頸期，迫切需要新的外援技術加持，讓它可以在更廣泛研究領域發光發熱。

一個「超快速」的成像技術時代即將來臨！

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/nphys4047

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b02161

參考資料：

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

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

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