激光制冷及扫描光学隧道显微术

激光制冷及扫描光学隧道显微术第1页，课件共21页，创作于2023年2月

在气态或孤立的状态时，即使是在室温下，原子运动的速度也在几百米每秒的数量级，要想观察研究原子是不可能的，因此，控制和操纵原子就成了物理学家追求的目标。在热学中大家已经知道通过降低温度，可以使处于气体状态的分子或原子的速率减小。但是随着温度的进一步降低，它们就会转变成为液体或固体，由于原子之间的相互作用，呈现在观察者面前的已不再是单个孤立的原子，也就失去了观察的意义。但是，在真空环境下对分子或原子进行冷却，就可以避免它们凝聚。9.1激光制冷与俘获原子第2页，课件共21页，创作于2023年2月

美籍华裔物理科学家朱棣文和法国的科恩.塔偌季、美国的菲利普斯等科学家先后发明了用激光冷冻和俘获原子的方法，实现了对原子的观察和操纵，他们三人也因为在这一研究领域的杰出贡献分获1997年的诺贝尔物理学奖。理论计算表明，只有温度降低到接近绝对零度时，原子的速率才会大大的降低，而当温度降低到K时，孤立的氢原子的运动速率将降低到小于25cm/s的数量级。在这样地的速率下就可以实现对原子的观察和操纵，但是如此低的温度如何实现呢？第3页，课件共21页，创作于2023年2月

激光是如何冷冻和俘获原子的呢?按照量子理论，一束激光就是一束光子流，光子虽然没有静止质量，但有动量，当光子碰撞（照射）原子时，可以将动量转移给原子，从而改变原子的动量。从能量的角度讲就是原子会吸收了光子从而减小动量。要使原子吸收光子，光子必须有恰好的频率（颜色），使之和碰撞的原子的能级结构相吻合。当满足频率条件的激光碰撞（照射）原子时原子会吸收迎面而来的光子而减小动量，同时原子向高能态跃迁。处于高能态的原子又会因自发辐射而发射光子，但这样发射的光子的传播方向是四面八方等概率的，不会对原子的动量造成实质的影响。第4页，课件共21页，创作于2023年2月

因此，当一特定频率的激光照射原子时，原子就会在和光子的一次次碰撞中减少动量，从而达到激光束的方向上的速度降低。事实上原子一秒钟就可以吸收、发射上千万个光子，从而可以有效的减小速率，从热学的角度说，就是将原子冷冻起来，但是，原子是在三维空间运动着，用一束激光照射显然是不够的。1995年朱棣文和他的同事们在美国新泽西州的实验室里，用在三个正交方向的六束激光成功的将原子的速度减了下来。他们采用的技术如后图，先用一束激光使迎面而来的钠原子的速度降下来，之后将钠原子引入六束激光的交汇处。第5页，课件共21页，创作于2023年2月六束正交激光时原子冷却激光使原子速度降低光速注入原子第6页，课件共21页，创作于2023年2月

对于这六束激光频率的选择，除了要考虑被冷冻原子的能级结构以外，还必须考虑到入射光子对运动原子的多普勒效应，所以这六束激光都比静止钠原子吸收的光子的颜色略有些红移。这样不论钠原子向何方运动，都会遇到具有恰当能量的光子。并被推回到六束激光的交汇处。所以这种减速就称为多普勒冷却。多普勒冷却原子的效果向相当于10万倍的重力加速度作用于原子上，就好像掉进了非常粘稠的液体中。可以想象得出对原子的减速效果时非常明显的。朱棣文和他的同事们用这种方法成功的将大量的钠原子冷却下来并聚集在六束激光交汇的小区域内，形成用肉眼可以观察到的豌豆大小的发光气团，实现了“玻色—爱因斯坦凝聚”——一种宏观量子现象第7页，课件共21页，创作于2023年2月

更有效的冷却和俘陷原子的方法是利用“磁井”等原子井，使原子在这种势井中处于最低能态。如图所示，利用两个尺寸相同的平行线圈，通以方向相反的电流，就可以产生一个中心区域磁场为零，但周围磁场不断增强的“磁井”区。由于原子具有磁矩，一旦陷入“磁井”中，就会像是只能在最小的区域----“磁井”中心运动。

即使原子偏离“磁井”中心，不均匀磁场的磁力作用将使其返回中心。将六束激光和磁井合并起来，就可以形成对原子冷冻和俘获能力更强的磁光陷阱。第8页，课件共21页，创作于2023年2月

激光冷冻和俘获原子的技术和研究对物理学的发展有重要的价值。它打开了通向更深的了解气体在低温下的量子行为的道路，使人们可以极为精确的测量原子的能级和光谱；实现了中型原子的真正意义上的玻色----爱因斯坦凝聚，1995年就可以观察到个钠原子在温度下的玻色---爱因斯坦凝聚，并有可能利用激光冷冻和俘获原子的技术设计出新型的更为精确的原子钟。也许还有许多上部知道的应用领域等待着科学家们去发现六束正交激光时原子冷却激光使原子速度降低光速注入原子第9页，课件共21页，创作于2023年2月

纳米原是一个长度单位，,仅相当于1米的10亿分之一。这在过去，显然是一个根本不可“望”当然无法“及”的微观尺寸，直到1981年扫描隧道显微镜（STM)发明后，人们才有了窥视操纵纳米物质的工具。1990年，在STM操纵下，用35个原子“写”出了世界上最小的三个字母I—B—M.2000年3月，按照它所达到的尺度，被理所当然的命名为“纳米技术”，并预见，它将成为21世纪前20年的主导技术，成为下一次工业革命的核心.9.2扫描光学隧道显微术一、纳米技术上的应用:9.2.1概述:第10页，课件共21页，创作于2023年2月二、背景介绍隧道效应及隧道电流的产生根据量子力学，粒子可以穿透比它的能量E更高的势垒V0，这种现象称为隧道效应。1982年，IBMZurich实验室的GerdBinnig和HeinrichRohrer研制出世界上第一台STM。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态。他们获得1986年诺贝尔物理学奖。

GerdBinnigHeinrichRohrer第11页，课件共21页，创作于2023年2月

我国第一台光子扫描隧道显微镜1993年6月在北京诞生。这台用计算机控制、具有数据采集和图像处理功能的光子扫描隧道显微镜,突破了传统光学显微镜分辨率仅为半波长的限制,使分辨率提高到百分之一波长以上。这台仪器的分辨率比光学显微镜提高了50倍。

中科院北京电子显微镜实验室姚骏恩等人,在大连理工大学有关专家的协助下,历经两年,在理论探讨、探针制作、电路改进及实验上做了大量工作,终于使分辨率提高到10纳米，使我国光子扫描隧道显微技术跻身世界前列。第12页，课件共21页，创作于2023年2月硅（111）表面再构的STM图象碘原子在铂晶体上的吸附硅表面硅原子的排列砷化镓表面砷原子的排列硅表面7×7重构第13页，课件共21页，创作于2023年2月分子人STM在石墨表面刻蚀出来的图形和文字通过移走硅原子构成的文字第14页，课件共21页，创作于2023年2月9.2.2原理与应用

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光学扫描隧道显微镜(PSTM)是用光学探针探测样品表面附近被内全反射所激励的瞬衰场，从而获得表面结构信息。其分辨率远小于入射光的半波长。PSTM的原现和工作方式在许多方面和STM相似。STM利用电子隧道效应，而PSTM则是利用光子隧道效应。当界面两边物质的折射率满足一定条件时，一束内全反射光会导致界面的另一侧产生一个瞬衰场。其强度随离界面的距离成指数关系。将一光学探针调节到样品表面的瞬衰场内，入射光的一些光子会穿过界面和光学探针之间的势垒，即产生光子隧道效应。产生的光子经过光导纤维传到光电倍增管并转换成电信号。至此以后，STM的工作情况与STM相同。第15页，课件共21页，创作于2023年2月一、衍射分辨极限带来的限制常规光学显微镜的有效放大倍数受到光学系统的衍射极限的限制，根据瑞利判据空间分辨极限为:

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参数分别为波长、折射率、光学系统的孔径角。由上式可以看出在可见光波段其分辨不能达到纳米量级。第16页，课件共21页，创作于2023年2月二、存在于样品表面的隐失场

物体表面外的场分布可以划分为两个区域:一个是距物体表面仅仅几个波长的区域,称为近场区域;另一部分从近场区域外至无穷远处称为远场区域，常规的观察工具如显微镜,望远镜及各种光学镜头均处于远场范围，远场所呈现的是物体的大于波长范围的结构，而近场表现的是物体远小于波长的精细结构，近场存在的即是隐失场。隐失场是离开物体或光源表面在空间急剧衰减的电磁场，隐失场和传播场不同，它对光源和物体本身的扰动已不可忽略。它仅仅存在于物体最表面,而不能向远处传播，由此知道物体中细微结构的信息不能传递到远场去,而被限制在接近物体表面的区域。所以，衰逝波为非辐射场。第17页，课件共21页，创作于2023年2月三、光子扫描隧道显微镜的基本思想和构造激光在样品与棱镜的分界面上发生全反射，在样品的表面将形成隐失场，只要用探针探索到该隐失场即可实现纳米量级的高分辨率。如图所示：

第18页，课件共21页，创作于2023年2月

光子扫描隧道显微镜的基本构造如图所示：第19页，课件共21页，创作于2023年2月四、PSTM的应用

光子扫描隧道显微镜主要应用在精微加工的光学材料表面的观察与研究、观察光学位相显微镜检测不到的光学折射率的微细变化、波导电光效应、近场光学、细微振动研究（通过探测波矢平行于样品表面的光的干涉，以及表面隐失场的方法来研究样品的细微振动）、超高密度的光学存