自2010年代初以来，太赫兹扫描隧道显微镜(THz-STM)使得能够以原子级分辨率进行超快材料探测。但是这些设备无法检测到事件发生时的能量耗散，例如通过发光二极管(LED)中的电子-空穴对的重组过程发射光子时。但是，一项新技术允许跟踪与THz-STM一起的这种能量动力学，从而为纳米级科学和技术开辟了新的研究途径。
日本的研究人员开发了一种显微镜技术，该技术结合了在飞秒级的时间尺度上操纵电子运动并以亚纳米分辨率检测光子的能力。这种新方法为科学家进行涉及传感和控制量子系统的实验，为纳米级科学和纳米技术发展打开新大门提供了新平台。
该团队由横滨国立大学和理化学研究所的科学家组成，于1月27日在ACS Photonics杂志上发表了有关其技术的详细信息。
扫描隧道显微镜(STM)于1981年开发，是一种用于产生原子级表面图像的仪器。该技术取决于量子隧穿现象，在该现象中，粒子通过其他无法穿透的势垒“隧穿”。显微镜正在检查的表面由非常细而尖锐的导电尖端感测到。当尖端接近表面时，在尖端和表面之间施加的电压使电子能够通过它们之间的真空隧穿。这种隧穿产生的电流依次提供有关对象的信息，然后可以将其转换为可视图像。
STM在2010年代初采用THz-STM技术取得了长足的进步，该技术在STM的扫描探针尖端使用超快电场脉冲，以在皮秒以下(十亿分之一秒)的时间范围内操纵电子。 。
这对于以原子级分辨率进行超快速探测非常有用，但无法检测到量子转换过程中发生的能量耗散。例如，这包括电子-光子转换，这是当电子或空穴的注入撞击LED时，恰好使一个光子在LED半导体材料内部破裂的情况下发生的情况。将STM的超快原子级分辨率与能够跟踪这种能量扩散动力学结合起来将非常有用。
确实可以跟踪这种动力学的技术称为扫描隧道发光光谱(STL)，可以测量通过隧道电子转换的光子，并且已与THz-STM并行开发。STL提供了有关电子隧穿触发的光子能量，强度，极化及其发射效率的丰富信息。
横滨国立大学的Jun Takeda说：“但是，THz-STM和STL从来没有在一个单一的装置中合并过。” “因此，我们将这两种技术结合在一起。”
放置镜头的方式是将THz脉冲聚焦到STM的尖端上。然后，使用第二个透镜收集由这些脉冲产生的光子，并将其导向光子检测器，从而可以对在原子级进行STM超快材料探测期间发生的量子转换的能量动力学进行所需的研究。
这揭示了在极高电压下对等离激元(表面电子)的超快激发。
这项研究的共同负责人Ikufumi Katayama说：“这种激发反过来可以为“等离子纳米腔”中的光-物质相互作用的实验和探索提供一个独特的新平台。等离子纳米腔是一种捕获光的纳米级结构。但这将涉及这些表面电子。
纳米腔方法应该允许研究半导体和其他分子系统中电子隧穿所产生的能量动力学，甚至是飞秒(四分之一秒)的时间尺度，也就是分子动力学通常需要的时间，即物理运动。单个原子或分子发生。这应该可以更好地感测和控制量子系统，提供纳米技术和科学方面的新颖见解和进步。