image: 系统采用远端液化模式，在持续制冷的同时减小了机械振动，从而无需液氦即可进行埃米级成像 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
探秘原子世界，必须“烧钱”吗？
光耦合扫描隧道显微镜能实现对原子甚至分子级别形貌，电子态和化学性质的埃米级表征。但要达到这一分辨率，实验需要极其稳定的环境，通常要把仪器降温到接近绝对零度（零下273摄氏度）。而要达到这样低的温度，长期以来离不开一种昂贵的资源——液氦。
然而液氦价格高昂，且供应极不稳定。传统的低温光学耦合扫描探针显微镜（OC-SPM）使用容纳几升液氦的杜瓦罐给设备降温。但实验过程中，液氦会持续挥发，这导致实验每隔几天就不得不停下来重新填充液氦，不仅麻烦而且成本很高。
“这就像看电影，每隔几分钟就要重放，导致实验连续性被打破，错过重要细节。”中国科学技术大学的谭世倞教授打了个比方，“更糟糕的是，每次重新填充需要10多升液氦，这是一笔可观的运营成本。”
巧妙的替代方案：远程降温闭循环无液氦系统
如今，来自中国科学院物理研究所和中国科学技术大学的联合研究团队成功破解了这一难题。
此前，中科院物理所的郇庆团队已经开发出一套“无液氦”方案。他们不使用液氦，而是用一台闭循环制冷机在单独的腔室里将氦气液化为超流态，再通过柔性管线输送到显微镜处。气化的氦气会被抽回并重新液化，形成一个“永动”的闭环。现在，他们与谭世倞团队合作，将这套系统应用到了光学耦合扫描探针显微镜上。
这种“异地液化”方案一举三得：
首先，它彻底告别了频繁补充液氦的烦恼，系统可以连续运行数月不停机。
其次，它将显微镜与制冷机的机械振动隔离开来，避免了振动对原子级成像的干扰。
最后，紧凑的设计为光学元件和复杂实验装置腾出了宝贵的空间。
“传统的制冷机直接装在显微镜正上方，带来的振动对于高分辨率显微镜来说是致命的，”中科院物理所的郇庆研究员解释道，“我们研发的远端液化技术通过把压缩机和显微镜分开，真正实现了两全其美：既有持续的制冷，又降低了振动噪声。”
性能媲美液氦系统
这套新系统的表现丝毫不逊色。它能实现低于3K（约零下270摄氏度）的稳定工作温度，电流噪声水平达到了20 fA/Hz1/2，这些指标完全媲美传统液氦系统的最好水平。更重要的是，它集成了多种成像模式于一身：
- 扫描隧道显微镜（STM）：观察电子云分布和原子结构
- 原子力显微镜（AFM）：观察化学键和原子结构
- 扫描隧道谱（STS）：分析表面电学特性
- 针尖增强拉曼光谱（TERS）：识别物质的“化学指纹”
- 扫描隧道针尖诱导发光光谱（STML）：研究针尖的激发光信号和分子光电性质
“看清”单个分子的化学反应
为了展示新系统的强大能力，研究人员在银表面研究了银酞菁分子——酞箐分子在银表面加热后，银原子插入，形成银酞箐分子。
利用显微镜的多模态功能，他们实现了多项突破：
- 用STM和AFM看清了分子的原子结构
- 用STS绘制了它的电子轨道分布
- 用TERS识别了它的化学指纹，甚至能区分分子不同部位的振动模式
- 化学成像的空间分辨率达到了1纳米以下
“同一个分子，同一个位置，多种技术同时分析——这就是这套系统的威力所在，”郇庆研究员表示，“那些因中断而需要反复调试几周的复杂实验现在可以不间断地进行，使得到的数据更具说服力。”
意义：让尖端科研更普惠
这项技术使埃米尺度的化学成像变得更加可持续和易于获取。实验室现在可以连续运行数周甚至数月，这使得研究催化反应、表面扩散和分子自组装等缓慢过程成为可能。
同时，它彻底摆脱了对液氦的依赖。由于全球供应短缺，液氦价格近年来居高不下。对于那些液氦生产能力较弱的国家和地区来说，这无疑是一项颠覆性的突破。
未来展望
研究团队计划将这套系统与更多光学技术及强磁场相结合，为研究量子材料和单分子化学打开新的大门。该技术同时展现出良好的商业化潜力，有望走进更多科研机构，服务于前沿探索。
相关研究成果于近日发表在《高端科学仪器》上。
Method of Research
Experimental study