顯微鏡是由一個透鏡或幾個透鏡的組合構成的一種光學儀器，是人類進入原子時代的標誌。可以說顯微鏡是人類最偉大的發明物之一，因為在它發明出來之前，人類關於周圍世界的觀念局限在用肉眼所觀察到的，或者靠手持透鏡幫助肉眼所看到的回東西。但自從發明出顯微鏡以後，顯微鏡把一個全新的世界展現在人類的視野裡，人們第一次看到了微觀世界，這對於科學研究有著重要的意義。
隨著顯微鏡的發展越來越深入，人們對顯微鏡的劃分也有了許多種類，按著類型劃分的話，顯微鏡可以分為生物顯微鏡、金相顯微鏡、體視顯微鏡(解剖鏡)、偏光顯微鏡、相差顯微鏡、螢光顯微鏡、工具測量顯微鏡等。
近日，北京大學物理學院量子材料科學中心江穎教授團隊及其合作者研製出國內較快掃描隧道顯微鏡，實現了飛秒級時間分辨和原子級空間分辨，並捕捉到金屬氧化物表面單個極化子的非平衡動力學行為。
此前，江穎團隊及合作者還取得了一系列成果：通過實驗技術和理論方法的雙重突破，在國際上率先實現了對原子核量子態的精確描述，揭示了水的核量子效應，該成果發表於《科學》期刊;通過開發新型掃描探針技術，在國際上獲得了單個鈉離子水合物的原子級分辨圖像，該成果發表於《自然》期刊;首次在實驗上證實了冰在二維極限下可以穩定存在，拍攝並揭示了二維冰的獨特形成過程和生長機制，該成果發表於《自然》期刊。
今天，就讓我們一起了解北大科學家的量子科學世界吧!致力於提高STM的時間解析度，八年磨一劍，掃描隧道顯微鏡是一種空間解析度可以達到原子量級的微觀探測工具。
然而，受電流放大器帶寬的局限，其時間分辨一般只能達到微秒量級(10-6s)，而很多微觀動力學過程往往發生在皮秒(10-12 s)和飛秒(10-15 s)量級。為了提高STM的時間解析度，其中一種比較可行的辦法是將超快雷射的泵浦-探測(pump-probe)技術和STM相結合，利用超快光與電子隧穿過程的耦合來實現「飛秒-埃」尺度的極限探測。
儘管超快雷射技術和STM相耦合的概念在上世紀90年代就被提出，但是相關研究受限於一系列技術難點，進展非常緩慢。近年來，超快STM的原始概念和核心技術開始出現革新，北京大學物理學院江穎課題組也於2012年加入了激烈的國際競爭。
團隊獨立研發並掌握了若干關鍵技術，歷經圖紙設計、機械加工、組裝對接、性能測試等環節，掃描探頭、真空系統、控制電路、光耦合系統等關鍵部件全部自行製作，在兩屆博士生的接力和反覆試錯後最終研製出了全新一代超快STM系統，使得原子尺度上的超快動力學探測成為可能。
該系統可工作在超高真空液氦溫度環境，較高時間解析度可達百飛秒，最長時間延遲可達微秒量級，相關性能參數達到國際較好水平。這也是國內首臺可實現飛秒時間分辨的STM系統。
利用這臺設備，並結合第一性原理計算，研究人員對單個極化子的非平衡動力學過程進行了深入研究。
極化子是材料中單個電子與周圍晶格相互作用形成的一種準粒子。金屬氧化物材料中所表現出的許多奇特的物性，例如：光催化、高溫超導、熱電以及巨磁阻等現象，都與極化子具有密切的關係。
通過測量時間分辨的單個極化子動力學，研究人員發現，當極化子被兩個氧缺陷束縛時，其被捕獲的時間比只有一個氧缺陷時明顯要短。然而，自由電子壽命對氧缺陷的原子尺度聚集並不敏感，但強烈依賴於納米尺度的平均缺陷密度。該工作首次揭示了原子尺度環境對極化子非平衡動力學過程的重要影響，為光催化反應中的高活性位點提供了新的微觀圖像，同時也為納米光催化材料的缺陷工程提供了全新的思路。
一次次挑戰爭論不休的難題，揭示懸而未決的奧謎。從測定氫鍵的量子成分、首次在原子尺度揭示水的核量子效應，到開發基於高階靜電力的新型掃描探針技術、實現氫原子的直接成像和定位、獲得單個鈉離子水合物的原子級分辨圖像，到利用非侵擾式原子力顯微鏡技術、以原子級解析度拍到了二維冰的形成過程，再到研製出國內首臺超快掃描隧道顯微鏡，實現了飛秒級時間分辨和原子級空間分辨……