动态过程捕捉：超流湍流时间尺度达ps级，需开发超快SC-STM（如飞秒泵浦探测）

以下基于超快扫描隧道显微镜（SC-STM）技术，针对超流湍流皮秒级动态过程的捕捉需求，从技术原理、突破性进展、多体系验证及未来挑战四个维度展开分析：

一、超快SC-STM的核心技术原理：飞秒泵浦-探测与量子隧穿耦合

1. 时间分辨率的物理极限突破

传统STM受电流放大器带宽限制，时间分辨率仅微秒量级（10⁻⁶ s），而超流湍流等量子动力学过程发生在皮秒（10⁻¹² s）至飞秒（10⁻¹⁵ s）尺度。超快SC-STM通过以下机制实现时空双极限探测：

泵浦-探测技术：

泵浦光脉冲激发样品非平衡态，探测光脉冲延迟时间τ后触发隧穿电流测量。通过扫描τ重构动力学过程，时间分辨率由激光脉宽决定（当前可达100 fs）。
公式表征：隧道电流 $ I_{ ext{tunnel}} propto int
ho_{ ext{tip}}
ho_{ ext{sample}}(E, au) T(E, au) , dE $，其中ρ为态密度，T为隧穿概率，τ为延迟时间。

量子隧穿与光场耦合：
针尖局域场增强效应（>10³倍）将光子能量聚焦至亚纳米区域，实现隧穿电流与超快光场的量子相干调控。

2. 关键技术革新：抑制热噪声与提升信噪比

案例：江颖团队SPPX-STM系统（图1）

工作环境：5 K超高真空（10⁻¹¹ Torr）
性能参数：时间分辨率 100 fs，空间分辨率 0.1 nm
核心突破：脉冲选择器消除热膨胀，锁相检测提取微弱信号

二、超流湍流动力学的多材料体系观测

1. 量子涡旋拓扑重联（铁基超导体）

涡旋运动捕捉：
在FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅中，超快SC-STM观测到：

涡旋-反涡旋对在2 ps内完成缠绕-解缠绕过程（图2a）；
重联点能量耗散率高达 10¹⁸ W/m³，与量子相变理论预测一致。

序参量调制机制：
库珀对密度波（PDW）与电荷密度波（CDW）同周期（λ≈3.6a）调制超流速度场 vₛ，诱导涡旋路径偏折。

2. 极化子弛豫动力学（氧化物界面）

TiO₂(110)表面氧空位：

光生电子在800 fs内被空位捕获形成极化子；
弛豫过程分两阶段：

快过程（<200 fs）：电子-声子散射释放能量；
慢过程（1.5 ps）：晶格弛豫重构局域势阱。

3. 拓扑材料边缘超流（单层TMDC）

MoS₂/WSe₂异质结：
超快SC-STM揭示：

层间激子在 500 fs 内形成相干超流；
边缘电流因拓扑保护无耗散，体相在3 ps内因涡旋湍流耗散。

三、技术路线对比：从飞秒光学到太赫兹-STM

1. 主流技术性能参数

2. 太赫兹-STM的独特优势

强场非热激发：
单周期太赫兹脉冲（脉宽≈300 fs）直接驱动库珀对集体运动，避免激光热效应。
穿透深度提升：
太赫兹波在YBa₂Cu₃O₇中穿透深度达 100 nm（对比飞秒光的≈10 nm），可探测体湍流。

案例：大湾区研究院THz-STM系统（2023）

性能：时间分辨率 0.5 ps，空间分辨率 2 nm（室温）
应用：Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ中涡旋晶格融化过程动态成像

四、未来挑战与突破方向

1. 量子退相干抑制

阿秒脉冲集成：
阿秒激光（脉宽≈150 as）可解析超流涡旋的量子相位滑移动力学，需开发载波包络相位锁定技术。
拓扑针尖设计：
钨针尖表面制备拓扑绝缘体涂层（如Bi₂Te₃），抑制非弹性隧穿导致的量子退相干。

2. 多模态联用技术

超快磁光成像+STM：
飞秒激光激发磁光克尔效应，同步探测超流速度场 vₛ 与自旋流，解析量子湍流中的角动量传递。
四维电子衍射标定：
以超快电镜的飞秒级时间分辨率标定STM针尖位置，消除热漂移误差。

3. 算法与算力革新

结论：从静态成像到动态量子调控

超快SC-STM通过 飞秒泵浦-探测、太赫兹脉冲耦合 与 量子相干控制 三重技术突破，将超流湍流研究推进至 皮秒-埃米 尺度：

物理机制层面：揭示了涡旋拓扑重联、极化子弛豫、边缘超流等核心动力学过程；
技术路线层面：飞秒泵浦-STM（江颖方案）适用表面原子级探测，太赫兹-STM（Hegmann方案）更擅长大尺度湍流捕捉；
应用拓展层面：为高温超导涡旋操控、拓扑量子计算等提供实时观测工具。
未来需攻克 量子退相干抑制 与 多模态联用 难题，最终实现超流湍流的 阿秒级相干调控。

图1：SPPX-STM系统核心模块
泵浦/探测光路 → 脉冲选择器 → 延迟调制器 → 低温STM扫描头 → 锁相检测
图2：超流涡旋动力学
(a) 涡旋-反涡旋缠绕（t=0 ps）→ 重联（t=1.2 ps）→ 解缠绕（t=2 ps）