激光制冷及掃描光學(xué)隧道顯微術(shù)

激光制冷及掃描光學(xué)隧道顯微術(shù)第1頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

在氣態(tài)或孤立的狀態(tài)時(shí)，即使是在室溫下，原子運(yùn)動的速度也在幾百米每秒的數(shù)量級，要想觀察研究原子是不可能的，因此，控制和操縱原子就成了物理學(xué)家追求的目標(biāo)。在熱學(xué)中大家已經(jīng)知道通過降低溫度，可以使處于氣體狀態(tài)的分子或原子的速率減小。但是隨著溫度的進(jìn)一步降低，它們就會轉(zhuǎn)變成為液體或固體，由于原子之間的相互作用，呈現(xiàn)在觀察者面前的已不再是單個(gè)孤立的原子，也就失去了觀察的意義。但是，在真空環(huán)境下對分子或原子進(jìn)行冷卻，就可以避免它們凝聚。9.1激光制冷與俘獲原子第2頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

美籍華裔物理科學(xué)家朱棣文和法國的科恩.塔偌季、美國的菲利普斯等科學(xué)家先后發(fā)明了用激光冷凍和俘獲原子的方法，實(shí)現(xiàn)了對原子的觀察和操縱，他們?nèi)艘惨驗(yàn)樵谶@一研究領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)分獲1997年的諾貝爾物理學(xué)獎。理論計(jì)算表明，只有溫度降低到接近絕對零度時(shí)，原子的速率才會大大的降低，而當(dāng)溫度降低到K時(shí)，孤立的氫原子的運(yùn)動速率將降低到小于25cm/s的數(shù)量級。在這樣地的速率下就可以實(shí)現(xiàn)對原子的觀察和操縱，但是如此低的溫度如何實(shí)現(xiàn)呢？第3頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

激光是如何冷凍和俘獲原子的呢?按照量子理論，一束激光就是一束光子流，光子雖然沒有靜止質(zhì)量，但有動量，當(dāng)光子碰撞（照射）原子時(shí)，可以將動量轉(zhuǎn)移給原子，從而改變原子的動量。從能量的角度講就是原子會吸收了光子從而減小動量。要使原子吸收光子，光子必須有恰好的頻率（顏色），使之和碰撞的原子的能級結(jié)構(gòu)相吻合。當(dāng)滿足頻率條件的激光碰撞（照射）原子時(shí)原子會吸收迎面而來的光子而減小動量，同時(shí)原子向高能態(tài)躍遷。處于高能態(tài)的原子又會因自發(fā)輻射而發(fā)射光子，但這樣發(fā)射的光子的傳播方向是四面八方等概率的，不會對原子的動量造成實(shí)質(zhì)的影響。第4頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

因此，當(dāng)一特定頻率的激光照射原子時(shí)，原子就會在和光子的一次次碰撞中減少動量，從而達(dá)到激光束的方向上的速度降低。事實(shí)上原子一秒鐘就可以吸收、發(fā)射上千萬個(gè)光子，從而可以有效的減小速率，從熱學(xué)的角度說，就是將原子冷凍起來，但是，原子是在三維空間運(yùn)動著，用一束激光照射顯然是不夠的。1995年朱棣文和他的同事們在美國新澤西州的實(shí)驗(yàn)室里，用在三個(gè)正交方向的六束激光成功的將原子的速度減了下來。他們采用的技術(shù)如后圖，先用一束激光使迎面而來的鈉原子的速度降下來，之后將鈉原子引入六束激光的交匯處。第5頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一六束正交激光時(shí)原子冷卻激光使原子速度降低光速注入原子第6頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

對于這六束激光頻率的選擇，除了要考慮被冷凍原子的能級結(jié)構(gòu)以外，還必須考慮到入射光子對運(yùn)動原子的多普勒效應(yīng)，所以這六束激光都比靜止鈉原子吸收的光子的顏色略有些紅移。這樣不論鈉原子向何方運(yùn)動，都會遇到具有恰當(dāng)能量的光子。并被推回到六束激光的交匯處。所以這種減速就稱為多普勒冷卻。多普勒冷卻原子的效果向相當(dāng)于10萬倍的重力加速度作用于原子上，就好像掉進(jìn)了非常粘稠的液體中?？梢韵胂蟮贸鰧υ拥臏p速效果時(shí)非常明顯的。朱棣文和他的同事們用這種方法成功的將大量的鈉原子冷卻下來并聚集在六束激光交匯的小區(qū)域內(nèi)，形成用肉眼可以觀察到的豌豆大小的發(fā)光氣團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了“玻色—愛因斯坦凝聚”——一種宏觀量子現(xiàn)象第7頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

更有效的冷卻和俘陷原子的方法是利用“磁井”等原子井，使原子在這種勢井中處于最低能態(tài)。如圖所示，利用兩個(gè)尺寸相同的平行線圈，通以方向相反的電流，就可以產(chǎn)生一個(gè)中心區(qū)域磁場為零，但周圍磁場不斷增強(qiáng)的“磁井”區(qū)。由于原子具有磁矩，一旦陷入“磁井”中，就會像是只能在最小的區(qū)域----“磁井”中心運(yùn)動。

即使原子偏離“磁井”中心，不均勻磁場的磁力作用將使其返回中心。將六束激光和磁井合并起來，就可以形成對原子冷凍和俘獲能力更強(qiáng)的磁光陷阱。第8頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

激光冷凍和俘獲原子的技術(shù)和研究對物理學(xué)的發(fā)展有重要的價(jià)值。它打開了通向更深的了解氣體在低溫下的量子行為的道路，使人們可以極為精確的測量原子的能級和光譜；實(shí)現(xiàn)了中型原子的真正意義上的玻色----愛因斯坦凝聚，1995年就可以觀察到個(gè)鈉原子在溫度下的玻色---愛因斯坦凝聚，并有可能利用激光冷凍和俘獲原子的技術(shù)設(shè)計(jì)出新型的更為精確的原子鐘。也許還有許多上部知道的應(yīng)用領(lǐng)域等待著科學(xué)家們?nèi)グl(fā)現(xiàn)六束正交激光時(shí)原子冷卻激光使原子速度降低光速注入原子第9頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

納米原是一個(gè)長度單位，,僅相當(dāng)于1米的10億分之一。這在過去，顯然是一個(gè)根本不可“望”當(dāng)然無法“及”的微觀尺寸，直到1981年掃描隧道顯微鏡（STM)發(fā)明后，人們才有了窺視操縱納米物質(zhì)的工具。1990年，在STM操縱下，用35個(gè)原子“寫”出了世界上最小的三個(gè)字母I—B—M.2000年3月，按照它所達(dá)到的尺度，被理所當(dāng)然的命名為“納米技術(shù)”，并預(yù)見，它將成為21世紀(jì)前20年的主導(dǎo)技術(shù)，成為下一次工業(yè)革命的核心.9.2掃描光學(xué)隧道顯微術(shù)一、納米技術(shù)上的應(yīng)用:9.2.1概述:第10頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一二、背景介紹隧道效應(yīng)及隧道電流的產(chǎn)生根據(jù)量子力學(xué)，粒子可以穿透比它的能量E更高的勢壘V0，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。1982年，IBMZurich實(shí)驗(yàn)室的GerdBinnig和HeinrichRohrer研制出世界上第一臺STM。STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)。他們獲得1986年諾貝爾物理學(xué)獎。

GerdBinnigHeinrichRohrer第11頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

我國第一臺光子掃描隧道顯微鏡1993年6月在北京誕生。這臺用計(jì)算機(jī)控制、具有數(shù)據(jù)采集和圖像處理功能的光子掃描隧道顯微鏡,突破了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率僅為半波長的限制,使分辨率提高到百分之一波長以上。這臺儀器的分辨率比光學(xué)顯微鏡提高了50倍。

中科院北京電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室姚駿恩等人,在大連理工大學(xué)有關(guān)專家的協(xié)助下,歷經(jīng)兩年,在理論探討、探針制作、電路改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)上做了大量工作,終于使分辨率提高到10納米，使我國光子掃描隧道顯微技術(shù)躋身世界前列。第12頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一硅（111）表面再構(gòu)的STM圖象碘原子在鉑晶體上的吸附硅表面硅原子的排列砷化鎵表面砷原子的排列硅表面7×7重構(gòu)第13頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一分子人STM在石墨表面刻蝕出來的圖形和文字通過移走硅原子構(gòu)成的文字第14頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一9.2.2原理與應(yīng)用

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光學(xué)掃描隧道顯微鏡(PSTM)是用光學(xué)探針探測樣品表面附近被內(nèi)全反射所激勵的瞬衰場，從而獲得表面結(jié)構(gòu)信息。其分辨率遠(yuǎn)小于入射光的半波長。PSTM的原現(xiàn)和工作方式在許多方面和STM相似。STM利用電子隧道效應(yīng)，而PSTM則是利用光子隧道效應(yīng)。當(dāng)界面兩邊物質(zhì)的折射率滿足一定條件時(shí)，一束內(nèi)全反射光會導(dǎo)致界面的另一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)瞬衰場。其強(qiáng)度隨離界面的距離成指數(shù)關(guān)系。將一光學(xué)探針調(diào)節(jié)到樣品表面的瞬衰場內(nèi)，入射光的一些光子會穿過界面和光學(xué)探針之間的勢壘，即產(chǎn)生光子隧道效應(yīng)。產(chǎn)生的光子經(jīng)過光導(dǎo)纖維傳到光電倍增管并轉(zhuǎn)換成電信號。至此以后，STM的工作情況與STM相同。第15頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一一、衍射分辨極限帶來的限制常規(guī)光學(xué)顯微鏡的有效放大倍數(shù)受到光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限的限制，根據(jù)瑞利判據(jù)空間分辨極限為:

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參數(shù)分別為波長、折射率、光學(xué)系統(tǒng)的孔徑角。由上式可以看出在可見光波段其分辨不能達(dá)到納米量級。第16頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一二、存在于樣品表面的隱失場

物體表面外的場分布可以劃分為兩個(gè)區(qū)域:一個(gè)是距物體表面僅僅幾個(gè)波長的區(qū)域,稱為近場區(qū)域;另一部分從近場區(qū)域外至無窮遠(yuǎn)處稱為遠(yuǎn)場區(qū)域，常規(guī)的觀察工具如顯微鏡,望遠(yuǎn)鏡及各種光學(xué)鏡頭均處于遠(yuǎn)場范圍，遠(yuǎn)場所呈現(xiàn)的是物體的大于波長范圍的結(jié)構(gòu)，而近場表現(xiàn)的是物體遠(yuǎn)小于波長的精細(xì)結(jié)構(gòu)，近場存在的即是隱失場。隱失場是離開物體或光源表面在空間急劇衰減的電磁場，隱失場和傳播場不同，它對光源和物體本身的擾動已不可忽略。它僅僅存在于物體最表面,而不能向遠(yuǎn)處傳播，由此知道物體中細(xì)微結(jié)構(gòu)的信息不能傳遞到遠(yuǎn)場去,而被限制在接近物體表面的區(qū)域。所以，衰逝波為非輻射場。第17頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一三、光子掃描隧道顯微鏡的基本思想和構(gòu)造激光在樣品與棱鏡的分界面上發(fā)生全反射，在樣品的表面將形成隱失場，只要用探針探索到該隱失場即可實(shí)現(xiàn)納米量級的高分辨率。如圖所示：

第18頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

光子掃描隧道顯微鏡的基本構(gòu)造如圖所示：第19頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一四、PSTM的應(yīng)用

光子掃描隧道顯微鏡主要應(yīng)用在精微加工的光學(xué)材料表面的觀察與研究、觀察光學(xué)位相顯微鏡檢測不到的光學(xué)折射率的微細(xì)變化、波導(dǎo)電光效應(yīng)、近場光學(xué)、細(xì)微振動研究（通過探測波矢平行于樣品表面的光的干涉，以及表面隱失場的方法來研究樣品的細(xì)微振動）、超高密度的光學(xué)存儲等