对于材料科学与凝聚态物理来说，在原子级尺度上，理解和调控物质，都是至关重要的，因为许多宏观性质源于亚纳米尺度的现象与机制。尽管光学光谱学，仍是材料表征的基石，但扫描隧道显微镜scanning tunnelling microscopy (STM)因其原子级空间分辨率，已成为不可或缺的成像工具。
太赫兹Terahertz (THz)扫描隧道显微镜STM，将飞秒级太赫兹脉冲引入扫描隧道显微镜的针尖-样品结，实现了原子级空间分辨率(埃米级)与亚皮秒级时间分辨率。利用太赫兹脉冲在隧道结中产生瞬态电场，通过锁相放大技术提取太赫兹诱导的隧穿电流变化，从而同时获取材料在时间、空间和能量域的信息探索和调控电子动力学、分子运动以及量子多体态。该技术已成功用于追踪单分子振动、原子晶格相干声子以及电荷密度波等集体激发态的超快动力学过程。
近日，
南方科技大学物理系殷嘉鑫团队Jiayu Xu等在Nature Reviews Physics上发表综述文章，
论述了太赫兹THz-扫描隧道显微镜STM的原理、方法和应用，突出了同时获取时间、空间和能量域信息的独特能力，为超快纳米尺度现象提供洞察，并推动下一代技术的发展。在量子材料领域中，展望了太赫兹THz-扫描隧道显微镜STM的未来机遇，包括测量涉及非平衡拓扑量子态弗洛凯Floquet工程和非厄米物理的非平衡量子拓扑，以及探索超导的光学调控和光致库珀配对等前沿领域。
第一作者：Jiayu Xu, Yunpeng Xia.
通讯作者：Jia-Xin Yin
通讯单位：南方科技大学Ultrahigh spatiotemporal resolution terahertz scanning tunnelling microscopy.
超高时空分辨太赫兹扫描隧道显微表征
图1：太赫兹扫描隧道显微成像的方法学
图2：通过太赫兹诱导的态密度变化追踪超快动力学
图3：利用太赫兹扫描隧道显微成像技术，探测相干分子运动
图4：利用太赫兹扫描隧道显微成像技术，探测相干原子运动
图5：通过近场太赫兹波形分析，解读材料响应
图6：量子材料光致动力学的超快探测技术
太赫兹扫描隧道显微镜(THz-STM)技术可表征的材料体系极为广泛，包括单分子(如并五苯、氢分子、镁酞菁等吸附在NaCl/Cu₂N表面的分子体系)、二维单层晶体(如WSe₂中的硒空位缺陷)、层状量子材料(如1T-TaS₂的电荷密度波相、WTe₂的拓扑相变)以及金属薄膜(如金膜上的相干声子激发)。
殷嘉鑫，现任南方科技大学物理系副教授，同时就职于量子功能材料全国重点实验室及粤港澳大湾区量子科学中心。2010年本科毕业于中国科学技术大学，2016年获中国科学院物理研究所博士学位。曾在美国休斯敦大学超导中心交流访问，并在美国普林斯敦大学物理系历任博士后及副研究员，2022年全职加入南方科技大学。主要致力于凝聚态物理和先进能谱显微学 (如超低温矢量磁场下的扫描隧道显微镜技术)。
文献链接
Xu, J., Xia, Y., Lin, Q. et al. Ultrahigh spatiotemporal resolution terahertz scanning tunnelling microscopy. Nat Rev Phys (2026). https://doi.org/10.1038/s42254-026-00952-7
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