近日，广东大湾区空天信息研究院研究员王天武项目组关于太赫兹近场波形表征方向的研究成果以“Real-space sampling of terahertz waveforms under scanning tunneling microscope”为题，作为期刊子封面发表在美国化学学会(ACS) 旗下著名期刊、光学领域顶刊ACS Photonics，并收录于SCI论文检索库，论文第一作者为李洪波。
期刊子封面
文章围绕扫描隧道显微镜下微区近场太赫兹波形表征开展研究，聚焦全新的近场太赫兹波形表征技术，以现有实验平台为支持，克服了当前近场波形表征方法遇到的问题，提出了全新的解决方案。基于该波形表征方法，项目组验证了自主研制的载波包络相位调制器对载波相位调制下的波形进行采样的有效性。项目组进一步通过对金样品表面台阶和原子团簇进行波形进行成像，证明该采样技术在纳米尺度下应用太赫兹时域光谱技术的潜力，将传统太赫兹时域光谱技术的研究提升到了前所未有的空间尺度。
针尖与样品接近时，由于针尖形貌的复杂性，远场传输到针尖附近的太赫兹电场会受到针尖的天线效应影响，不仅得到强度上的放大，在相位和振幅上也会发生变化，不同的针尖对太赫兹的影响也不尽相同。因此，测量从针尖辐射出的远场太赫兹波形并不能真实反应针尖附近的电场变化情况，需要发展局域太赫兹近场波形表征方法。传统的近场太赫兹波形表征方案基于光电流发射效应和有机分子量子态门控效应等对太赫兹近场波形进行表征，所遇到的热效应、泛用性、非原位表征等问题困扰相关技术的发展，在此背景下，项目组提出一种基于太赫兹场发射电流门控效应的太赫兹原位表征方法。该方法直接利用太赫兹的场发射电流提供采样光的门控约束，可产生一个脉冲宽度小于200 fs的采样光，利用该采样光，可对同时入射的弱场太赫兹波形进行相干采样，从而在亚纳米尺度上提取出太赫兹的近场波形。
采样方法概要图
在波形采样方法原理研究的基础上，项目组利用研制的太赫兹载波相位调制器，对弱场太赫兹波形进行载波相位调控，成功得到不同载波相位下的弱场太赫兹波形；利用远场电光采样方法（EOS），传统光发射采样方法（PES）和太赫兹驱动场发射电流采样方法（TDFES），测量了相位调制器对近场太赫兹波形的影响，检验了该方法的有效性。
利用太赫兹载波相位调制器成功获取对弱场太赫兹的相位调控
同时，项目组通过展示太赫兹场发射电流的亚nm空间分辨，研究基于场发射电流的采样方法对亚nm尺度下波形的采样能力。通过对金表面台阶进行逐点THz波形采样，得到纳米尺度下的金台阶频谱图和相位图，展示了该采样方法在纳米级太赫兹时域波谱技术中的应用场景。
相干采样方法的亚nm分辨能力
该技术方案不仅解决了现有近场波形采样方法的难点，且具有无损、原位、纳米尺度下采样的特点，具备广泛适用性；为太赫兹时域波谱技术与STM的结合提供了技术基础，提升原子级太赫兹时域波谱技术应用的可行性。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.3c01451
参考文献：
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