Technion团队用双色激光精确控制扫描隧道显微镜中的超快电子流

Sculpted light steers ultrafast electron flow in an atomic-scale microscope — 由双色激光脉冲驱动的超快扫描隧道显微镜。图片来源：*Nature Photonics* (2026). DOI: 10.1038/s41566-026-02021-y

要观察电子在材料中的运动，需要什么条件？研究人员既需要看到单个原子，又需要在极短的时间尺度上捕捉电子的运动。由以色列理工学院（Technion）领导的团队将这两种能力结合到一台扫描隧道显微镜中，利用精心整形的激光脉冲控制电子流动的方向，同时保持纳米级的空间分辨率。

这项研究由以色列理工学院物理系的 Michael Krüger 领导，发表于 Nature Photonics，建立在一台针尖极其尖锐的显微镜基础上。当针尖非常靠近表面时，电子可以通过一种称为隧穿的量子效应跨越间隙。由此产生的电流使研究人员能够绘制表面的微小特征。直到现在，追踪电子在这一微小间隙内的快速运动一直是一个重大挑战。

研究团队将红外激光脉冲射入针尖与样品之间的间隙。每个脉冲包含两种颜色的光。通过改变它们的相对时序，研究人员改变了光波的形状——从而可以将电子从针尖引向样品，或反向引回。他们通过调整时序，而不是反复开关激光，从而有助于将超快电流与激光加热引起的噪声信号区分开来。

"我清楚地记得那一天，我们的学生 Daniel Davidovich 和 Boyang Ma 以及 Adi Goldner 博士带着一项新颖而令人兴奋的测量结果来到我的办公室，"Krüger 说，"我们终于可以毫无疑问地证明，我们能够控制电流的方向。"

将测量结果与多个理论模型进行比较，使研究人员得以重建持续 860 阿秒的电流脉冲。为便于理解，一阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一。模型还揭示了光场如何帮助电子跨越间隙：它使势垒更容易通过，加速电子并将其驱入表面。该显微镜保持了约两纳米的横向分辨率，并能检测到小于一埃的表面高度变化，即使在室温和空气中运行也是如此。

实现可靠的测量花费了多年的实际工作。“我们测试了三种不同的激光系统，并多次重建光学装置，直到能够清晰区分超快电流和噪声，”Krüger 实验室的工作人员科学家 Goldner 说。该研究是与 CNRS Université Paris-Saclay 的理论物理学家 Andrei Borisov 以及 Donostia International Physics Center 合作开展的。

这些发现是朝着观察电子在材料中特定位置随运动展开而移动的一步。据 Krüger 介绍，这项工作还可能为未来的电子学提供参考，在这种电子学中，光波以超越当今器件的尺度和速度控制电流。这些应用仍是未来研究的目标；本研究确立了对显微镜纳米尺度间隙中电子流的精确控制。