近期，中科院合肥研究院強磁場(chǎng)中心陸輕鈾課題組在國際上首次研制成功混合磁體極端條件下原子分辨掃描隧道顯微鏡（STM），相關(guān)研究成果發(fā)表在顯微鏡領(lǐng)域著(zhù)名期刊Ultramicroscopy和著(zhù)名儀器刊物Review of Scientific Instruments上。此工作為利用混合磁體搭配STM開(kāi)展原子分辨成像研究鋪平了道路，對于突破當前超強磁場(chǎng)下只能開(kāi)展輸運等宏觀(guān)平均效果測量之瓶頸，進(jìn)入到廣闊的物性微觀(guān)起源探索領(lǐng)域，具有標志性意義。
磁場(chǎng)是一種極端條件，對新物性的探索越強越好。磁場(chǎng)環(huán)境下，科研人員發(fā)現了許多重要的物理現象，包括整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、巨磁阻效應等。目前最強的穩態(tài)磁場(chǎng)是通過(guò)混合磁體獲得的。由于混合磁體運行過(guò)程強振動(dòng)的干擾，國際上只能應用其開(kāi)展如輸運、磁性、磁光等宏觀(guān)平均效果的測量。但實(shí)空間原子分辨測量更接近于揭示物性的微觀(guān)量子起源，是宏觀(guān)測量完全不可替代的，在新的電子材料/納米材料、新物性、新理論探索中發(fā)揮決定性的作用。STM可以實(shí)現實(shí)空間原子分辨測量。
強磁場(chǎng)中心的混合磁體由一個(gè)內水冷磁體和大口徑的外超導磁體嵌套組成。其中，內水冷磁體的孔徑僅為32毫米，這為置入其內的STM設置了苛刻的空間限制，而外超導磁體的超大孔徑（低溫920毫米）又不可避免地產(chǎn)生巨大的雜散場(chǎng)，使得STM的電子學(xué)測量裝置需要放在距磁體中心8米遠的位置。除雜散場(chǎng)影響之外，內水冷磁體運行時(shí)冷卻水流帶來(lái)的強振動(dòng)和聲音干擾也給STM的原子分辨測量帶來(lái)了極大的困難。在本工作之前，在混合磁體環(huán)境下能夠獲得原子分辨的STM測量未見(jiàn)有報道。
陸輕鈾課題組長(cháng)期致力于惡劣條件下的STM研制工作，先后研制出了適用于狹小空間惡劣振動(dòng)環(huán)境原子分辨成像的多種高剛性高穩定的緊湊型壓電馬達，并用其建成了多種惡劣條件原子分辨STM，獲得了30余項國家發(fā)明專(zhuān)利的授權。在典型的狹小空間、強振動(dòng)環(huán)境下，課題組近期已研制成功20毫米孔徑連續流液氦恒溫器 STM、國際首個(gè)水冷磁體（32毫米孔徑，27特斯拉）STM和首個(gè)干式（無(wú)液氦）超導磁體STM，均獲得了高質(zhì)量的原子分辨圖像，相關(guān)成果分別發(fā)表于Review of Scientific Instruments 、Nano Research、和Ultramicroscopy上。
課題組基于小尺寸的Spider-Drive馬達，提出一種全新的管形粗逼近馬達和掃描成像單元一體化機械串聯(lián)型STM鏡體。其特點(diǎn)是主要采用藍寶石絕緣材料加工，外徑僅為8.8毫米。參考上述自主知識產(chǎn)權干式（無(wú)液氦）超導磁體STM設計，其通過(guò)二級減振插桿，可直接插入到混合磁體32毫米室溫磁體孔徑并真空密封。系統的探針-樣品逼近控制、掃描及數據采集等使用的都是自行研制的模塊化低噪音控制器。經(jīng)過(guò)測試，課題組成功地在混合磁體30T超強磁場(chǎng)下獲得了石墨高品質(zhì)原子分辨STM圖像。該窄空間兼容的插桿式混合磁體STM裝置可方便地移植到混合磁體適用的液氦恒溫器中，以開(kāi)展超強磁場(chǎng)低溫研究。
同時(shí)，課題組又針對超強磁場(chǎng)下的生物分子高分辨成像，搭建了一套室溫大氣環(huán)境下的分體式STM。該系統將一段螺紋密封式膠囊腔體通過(guò)一根長(cháng)彈簧懸吊于混合磁體中心，并將STM核心鏡體懸吊于膠囊腔體內用以減弱聲音振動(dòng)干擾。經(jīng)測試，該STM在27.5特斯拉超強磁場(chǎng)下依然保持原子分辨。由于沒(méi)有真空、低溫環(huán)境的保護，搭建混合磁體超強磁場(chǎng)、超強振動(dòng)和聲音環(huán)境下的室溫大氣STM難度更大。此前，國際上還未曾有水冷磁體或混合磁體中的室溫大氣STM被報道過(guò)。
強磁場(chǎng)科學(xué)中心的孟文杰與王紀浩分別為論文的第一作者，侯玉斌為共同通訊作者。該工作受到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院合肥科學(xué)中心、中國科學(xué)院科學(xué)儀器專(zhuān)項資助。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304399119304255。
https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5140423。
混合磁體STM系統：（a）混合磁體照片；（b）混合磁體STM系統簡(jiǎn)圖；（c）STM鏡體；（i-iv）分別為0T、21.3T、28.3T、30.1T磁場(chǎng)強度下石墨的原子分辨STM圖像。
