“看清”原子世界，[有多难]
宁若杨
2025年03月06日 01:31
江颖 田野
《光明日报》（ 2025年01月16日 16版）光学显微镜的发明让人类首次观察到细菌和细胞，扫描探针显微镜则可以探索原子大小的世界——它以原子大小的针尖来“触摸”样品，得到其表面的原子排列，在原子尺度上探索电学、光学、磁学、力学等性质，改变人们对物质的研究范式和基础认知。在多种扫描探针显微镜中，目前空间分辨率最高的是qPlus型扫描探针显微镜。它的出现，为物质科学和生命科学研究带来了全新机遇。
打开原子世界的大门
扫描探针显微镜是纳米科技领域最伟大的发明之一，主要包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜，它利用尖锐的针尖逐点扫描样品，可在原子、分子、纳米多尺度上获取表面的形貌和丰富的物性，已广泛应用于物理学、化学、材料科学和生物学等多个领域，改变了人类对物质的研究方式和基础认知。
1981年，德国物理学家宾尼和瑞士物理学家罗雷尔发明了扫描隧道显微镜，为我们打开了一扇通往原子世界的大门。扫描隧道显微镜通过探测针尖与样品间的隧道电流实现空间成像，达到前所未有的原子级分辨率。这一发明革新了人们对物质表面结构的理解，开启纳米科学实验研究。然而，扫描隧道显微镜有一个显著的局限——只能应用于导电样品。为突破这一限制，1986年，科学家发明了原子力显微镜，这种显微镜基于针尖与样品间的原子作用力来成像，不依赖于样品导电性。原子力显微镜极大扩展了扫描探针显微镜的应用范围，使其能够研究包括金属、半导体、绝缘体在内的多种材料体系。原子力显微镜还能在大气和液体环境中工作，表现出很好的工况条件和生物体系兼容性。
激光反射式原子力显微镜目前应用最为广泛，其核心部件是利用微加工技术制备的可振动悬臂，悬臂末端装有精细的针尖，背面镀有一层反射镜面金属，能将激光反射给一个高度敏感的光电探测器。在扫描过程中，针尖与样品表面的相互作用力会引发悬臂的弯曲变形，进而导致反射光斑位置的微小变化。这些变化被探测器捕捉并转化为样品表面形貌的详细信息。然而，由于其较小的劲度系数，这种传感器存在一定局限性。为避免针尖和样品因“突跳”现象而被损坏，只能让针尖在较大振幅下工作，加大了长程力占比，降低了空间分辨率，难以实现原子级别的观测。此外，反射激光的引入也限制了其在真空低温环境中的应用。
“看”见氢原子和化学键
为克服传统激光反射式原子力显微镜的局限性，实现短程力的探测与高分辨成像，科学家们一直在探索新的技术路径。他们考虑,要使针尖在小振幅和靠近样品的情况下稳定工作，就需要使用具有较大劲度系数的悬臂，而石英音叉作为手表中的计时元件，以高劲度系数和极高精度的振荡频率而闻名。
1996年，科学家创新性地将音叉的一个悬臂固定在质量很大的基底上，而在另一个自由的悬臂上装配上针尖，作为原子力显微镜的力传感器。这种设计不仅保持了较高的品质因子（也叫Q因子），还显著提高了测量稳定性和精度。这种力传感器被称为qPlus（品质因子增强型）力传感器。
经过多年发展和改进，qPlus力传感器已经发展到第4代，可以在非接触模式下，以极小振幅(小于100皮米)近距离扫描样品，而不会出现“突跳”现象。由于qPlus传感器的振幅与短程力的衰减长度接近，因此显著提升了对短程力的灵敏度，更加容易获得高空间分辨率。此外，其悬臂的形变可以通过石英的压电效应以电学方式来直接探测，不需要激光系统，更容易兼容低温环境。这一点对于在极端条件下进行的实验尤为重要。由于使用了导电针尖，并通过单独导线把针尖的电流提取出来，qPlus传感器可以很容易测量隧道电流，从而实现了扫描隧道显微镜和原子力显微镜的双模式扫描。这种集成不仅提高了测量灵活性，也为研究者提供了更多实验选项。通过针尖修饰，qPlus原子力显微镜的成像空间分辨率得到显著提升，甚至实现了氢原子和化学键的超高分辨成像。
“看”更细微的世界 揭示物质和生命科学奥秘
超高分辨率的qPlus原子力显微镜技术，以其卓越性能和广泛应用前景，在物质科学领域引发广泛关注。与传统原子力显微镜相比，qPlus原子力显微镜不仅能与扫描隧道显微镜完美集成，还能兼容超高真空和低温环境，实现超越扫描隧道显微镜的空间分辨率，成为目前空间分辨率最高的扫描探针显微镜。这些特点，使得qPlus原子力显微镜在单分子、表面科学、低维材料等研究领域，发挥了重要作用。
高分辨结构成像。qPlus原子力显微镜在高分辨结构成像方面的应用尤为突出。通过利用一氧化碳对其针尖进行分子修饰，科学家们首次实现了对有机分子化学键的直接测量，为后续研究如分子间氢键相互作用、分子化学键键序、金属原子团簇、化学反应产物识别等提供了新视角。此外，qPlus原子力显微镜的高空间分辨率也为低维纳米材料的精确制备和表征提供了强有力的工具，如石墨烯、石墨烯纳米带等。在绝缘材料的原子结构研究方面，qPlus原子力显微镜同样展现出巨大潜力，为复杂氧化物表面方向研究提供了新视角。
电荷态和电子态的测量。qPlus原子力显微镜的高信噪比和力灵敏度，使其在电荷态测量方面具有显著优势。通过测量针尖与样品之间的局域接触势差，可以对单个原子和分子内部电荷分布进行成像，并能直接测量单个原子的不同带电状态。此外，利用开尔文探针力显微镜模式或短程静电力成像，qPlus原子力显微镜能对材料表面的电荷分布进行高分辨表征，为在原子尺度上研究电荷序提供了新途径。同时，利用电荷注入，qPlus原子力显微镜可对绝缘体表面单分子在不同带电状态下电子转移概率分布成像，从而测量分子的电子态。与电学泵浦—探测技术相结合，qPlus原子力显微镜还可以达到原子级分辨率，探测单分子激发态的寿命。
原子力的测量与操纵。qPlus原子力显微镜在原子力的测量与操纵方面同样具有重要应用。通过测量针尖与原子之间的相互作用力引起的频率偏移，可以精确测量移动原子所需的最小纵向作用力。将这种纵向作用力进一步转化为相互作用势，通过对作用势的横向微分可以得到移动原子所需的最小横向作用力。qPlus原子力显微镜已可以测量单原子、单分子、石墨烯纳米带、二维冰等表面的静摩擦力，为在原子精度测量摩擦力提供了新工具。高精度的针尖操控技术也为研究表面物理化学过程提供了新方法，实现了表面水合质子输运、表面化学反应操纵以及物理吸附到化学吸附的转变等现象的精细研究。
量子比特的操控与量子传感。qPlus原子力显微镜的应用不仅限于纳米科学领域，在量子比特的操控和量子传感方面也展现出了巨大潜力。借助qPlus原子力显微镜强大的空间表征、操纵与局域调控能力，可发展出表面/近表面量子比特的相干性提升、精密量子比特网络构筑、纳米尺度扫描量子传感等多种前沿技术。利用金属针尖的局域强电场和激光，qPlus原子力显微镜成功诱导了金刚石氮—空位色心的电荷态转换，并实现了金刚石近表面电子自旋噪声的高效抑制，大幅提升了氮—空位色心的相干性和量子传感灵敏度。这些创新不仅有效推动了量子比特和量子传感技术的进步，还为开发高性能量子器件及量子计算的实际应用奠定了基础。
超高分辨率的qPlus原子力显微镜取得了显著成就，但仍面临一些挑战和瓶颈。qPlus力传感器的高劲度系数导致其对力的灵敏度较低，而较低的共振频率限制了成像速度，难以捕捉快速的非平衡态动力学过程。由于扫描探针显微镜是表面敏感的技术，无法对复杂的三维结构实现精准测量。同时，qPlus原子力显微镜在化学分辨率方面也存在局限，通常难以直接获取样品的化学信息。此外，将qPlus原子力显微镜技术应用到溶液、生物体系等复杂环境时，还面临Q因子降低和信息提取复杂性增加的技术难度。
面对这些挑战，科学家们正在探索各种解决途径，包括改进悬臂设计、发展主动控制Q因子的技术、研制高频悬臂、结合泵浦—探测技术与光谱技术、融合机器学习技术等，以期进一步提升qPlus原子力显微镜的性能，拓展其在物质科学和生命科学领域的应用。
（作者：江颖、田野，分别系北京大学物理学院量子材料科学中心教授、北京大学轻元素先进材料研究中心主任、北京怀柔科学城轻元素量子材料交叉平台负责人；北京大学物理学院量子材料科学中心研究员）