合肥研究院實現27T磁場下的原子分辨率掃描隧道顯微鏡測量

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心陸輕鈾研究組首次在水冷磁體中實現了27特斯拉強磁場環境下的掃描隧道顯微鏡（STM）原子分辨率成像，得到了石墨樣品的原始成像數據（raw data image）。這一試驗的成功為強磁場STM實驗研究提供了國際先進的技術手段，也為在即將竣工的45T混合磁體（口徑也為32mm）中實現更高磁場下的STM原子分辨率成像研究鋪平了道路。

　　掃描隧道顯微鏡（STM）具有實空間中的原子分辨率成像能力，因而在基礎科學研究中具有廣泛的應用，但它對振動、甚至聲音等哪怕很微弱的干擾都非常敏感，所以通常需要在隔音、減震很好的準靜態環境中工作。STM的一個很重要的應用是在強磁場中成像，但迄今都工作于超導磁體中，因為超導磁體的振動小，相對安靜。然而超導磁體受限于臨界磁場，產生的磁場難以超過23T，所以國際上強磁場STM雖發展多年，但其工作的最強磁場仍然不超過20T。水冷磁體（water-cooled magnet，簡稱WM）以及由水冷磁體和超導磁體構成的混合磁體（hybrid magnet）能夠產生更強的磁場，但其在高壓大流量冷卻水流的沖擊下也會產生巨大的振動與噪聲，這對原子分辨率STM成像是嚴重挑戰，所以國際上至今尚沒有實現在水冷磁體強磁場中的STM成像。

　　陸輕鈾研究組長期致力于惡劣條件下的STM研制工作，先后研制出適用于狹小空間惡劣環境中原子分辨率STM成像的多種高剛性、高穩定壓電馬達，如GeckoDrive、TunaDriver、PandaDrive和SpiderDrive等及其制成的掃描探針顯微鏡，相關成果發表于《科學儀器評論》、《超顯微學》、《掃描》期刊上（Review of Scientific Instruments 80, 085104 (2009)；Review of Scientific Instruments 84, 113703 (2013)；Review of Scientific Instruments 84, 56106 (2013)；Review of Scientific Instruments 83, 115111 (2012)；Ultramicroscopy 147, 133 (2014)；Scanning 36, 554 (2014)；Review of Scientific Instruments 85, 56108 (2014)等）。研究組先后獲得了20余項國家發明ZL的授權。在這些系統性工作的基礎上，陸輕鈾研究組最終克服了水冷磁體的大振動和強噪音對STM的干擾，在國際上首次實現了在高達27T強磁場環境下的高清晰STM原子分辨率成像。

上圖：10 MW水冷磁體（WM4）中獲得的27T強磁場下的高定向熱解石墨（HOPG）樣品的原子分辨率STM圖像（未作任何處理的raw data image，圖像尺寸：2.4 nm × 2.4 nm）。下圖：該STM在WM4水冷磁體中的實物照片。