近日，粤港澳大湾区（广东）量子科学中心胥佳玉副研究员、加州大学欧文分校夏云鹏博士、南方科技大学硕士生林秋燕、中国科学技术大学谭世倞教授和王兵教授、南方科技大学殷嘉鑫副教授，合作在Nature Reviews Physics发表题为“Ultrahigh spatiotemporal resolution terahertz scanning tunnelling microscopy”的综述文章。文章系统总结了太赫兹扫描隧道显微镜（terahertz scanning tunnelling microscopy,THz-STM）的基本原理、技术路线、代表性应用及未来发展方向，重点讨论了该技术如何在原子空间尺度和亚皮秒时间尺度上探索电子、分子、晶格以及多体量子态的超快动力学过程。文章指出，THz-STM兼具超高空间分辨、超快时间分辨和低能量激发选择性，为探索非平衡量子材料和光场驱动的新量子态提供了新的实验平台。

  理解和调控物质的量子态，是凝聚态物理和材料科学的重要目标。超导、拓扑量子态以及强关联电子行为等宏观量子现象，本质上源于电子、晶格、自旋与轨道等自由度之间的复杂耦合，并在飞秒到皮秒时间尺度上协同演化。超快技术可以在时间维度上揭示这些自由度的瞬态相互作用，但其微观耦合往往局域在埃尺度空间，尤其在缺陷或畴壁等区域具有强烈空间非均匀性。传统超快光谱虽然能够捕捉极快动力学，但受限于光学衍射极限，只能获得空间平均信息；扫描隧道显微镜则能够实现原子级空间分辨，却通常只能研究静态电子结构。因此，如何同时实现“看得足够小”与“看得足够快”，成为探索新量子态与非平衡量子动力学的核心挑战。

  THz-STM为这一问题提供了新的研究路径。该技术将单周期太赫兹脉冲引入STM针尖—样品隧穿结中，使太赫兹电场在原子尺度纳米腔内产生极强局域增强，并在亚皮秒时间尺度瞬时调制电子隧穿势垒。由于太赫兹光子的能量处于毫电子伏特量级，它能够直接耦合量子材料中的低能自由度，包括电子关联、晶格振动、自旋激发以及集体模式。因此，THz-STM不仅能够“观测”量子态，还能够在原子尺度上“驱动”量子态演化过程。

图1 THz-STM工作模式示意图

  文章进一步指出，THz-STM的核心优势在于其兼具原子级空间分辨与超快时间分辨能力。一方面，单周期太赫兹脉冲可以作为超快瞬时偏压，在STM隧穿结中驱动电子隧穿，实现光波驱动的扫描隧道谱测量；另一方面，结合泵浦—探测方案，THz-STM能够在原子尺度实时追踪单分子振动、分子开关、局域缺陷态、相干声子以及电荷密度波等低能量激发的动态演化过程。对于一些并不直接表现为明显电导变化的体系，还可以通过分析太赫兹波形在与样品相互作用前后的变化，提取局域低能激发和集体模式的信息。这种同时关联时间、空间与能量维度的能力，使THz-STM成为探索非平衡量子态与超快量子动力学的重要工具。

  近年来，THz-STM 已被用于多个具有代表性的探索方向。例如，该技术已经实现单分子的飞秒轨道成像与相干振动追踪，能够在约百飞秒时间尺度上直接观察分子轨道随振动发生的动态变化；通过单周期太赫兹场驱动，还实现了单分子开关的相干操控以及单氢分子两能级量子相干动力学探测。此外，THz-STM 还被用于研究局域缺陷诱导的太赫兹吸收响应，以及电荷密度波体系中的集体激发和局域相变动力学。这些工作表明，THz-STM 正逐渐从单电子、单分子研究拓展到复杂量子材料中的多体关联现象探索。

  文章特别强调了THz-STM在探索非平衡量子态方面的重要潜力。对于电荷密度波材料、莫特体系等强关联量子材料，THz-STM 有望在原子尺度上同时关联电子结构、晶格运动和相变动力学，揭示局域缺陷、边界和非均匀性在量子相变中的作用。对于拓扑材料，强太赫兹场能够周期性驱动电子态形成Floquet-Bloch态，并可能诱导非厄米拓扑、异常点和趋肤效应等新型量子现象；THz-STM则有望直接在实空间中观察这些非平衡拓扑态的局域响应。对于超导体系，THz-STM未来有望在局域尺度研究超导能隙、磁通涡旋、杂质态以及光诱导 Cooper配对等超快动力学过程，从而为理解非常规超导和光控超导提供新的实验窗口。

  值得注意的是，文章进一步提出了一种面向未来的物理图像：强场太赫兹光场能够把原子尺度电子运动与传播电磁场联系起来，使普朗克常数h、基本电荷e与光速c在超快纳米尺度下形成新的关联。这意味着，THz-STM不仅是研究量子材料的超快显微技术，也可能成为探索光驱动宏观量子态的重要平台。通过在原子尺度上实时调控电子与光场耦合，未来有望进一步探索超越平衡态拓扑与超导的新型非平衡量子物态。

图2 THz-STM探索新量子态概念图

  文章最后指出，未来THz-STM的进一步发展将依赖更宽带、更高重复频率和更高稳定性的太赫兹光源，更精确的低温与矢量磁场控制，以及更高灵敏度的超快探测方案。随着强场太赫兹源、亚周期中红外脉冲、低温STM与超快探测技术的持续进步，THz-STM有望成为连接超快光谱学与原子尺度显微学的重要桥梁，为探索非平衡量子物态、光场调控材料性质以及下一代量子技术提供新的实验基础。

  粤港澳大湾区（广东）量子科学中心胥佳玉副研究员、加州大学欧文分校夏云鹏博士为论文共同第一作者，粤港澳大湾区（广东）量子科学中心、南方科技大学物理系殷嘉鑫副教授为论文通讯作者。相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省先进热电材料与器件物理重点实验室、广东省量子科学战略专项、新基石科学基金会以及深圳市科技计划等项目支持。