无液氦低温光发射电子显微镜实现电子相变的高分辨无损成像

为解决量子材料低温相变动态的高分辨成像难题，西湖大学团队开发了无液氦低温光发射电子显微镜（CFLT-PEEM），通过闭环冷却系统与振动隔离设计，实现21.1 K稳定低温环境，将空间分辨率提升至4.48 nm，首次直接观测到Cu(111)表面原子台阶的电子态分布。该技术突破了传统PEEM在低温下的分辨率限制，为研究超导等量子相变动力学提供了全新工具。

　　

在量子材料研究中，超导等低温相变现象的微观机制一直是物理学界的核心问题。传统扫描隧道显微镜（STM）只能提供静态图像，而透射电镜（TEM）缺乏能带敏感性，光发射电子显微镜（PEEM）虽能同时实现实空间和倒易空间的快速成像，却因液氦冷却的不稳定性导致低温分辨率骤降至30 nm以上，难以捕捉原子尺度的量子行为。这一技术瓶颈严重制约了对电子相变动力学的理解。

西湖大学的研究团队另辟蹊径，将脉冲管制冷机与多重隔振设计结合，成功研制出无液氦低温PEEM系统（CFLT-PEEM）。该系统通过将样品温度稳定在21.1 K（波动仅±3 mK），并创新性地将成像能带宽度压缩至160 meV，使未加像差校正器的空间分辨率突破至4.48 nm。这一数值不仅刷新了低温PEEM的纪录，更首次清晰呈现出Cu(111)表面原子台阶处Bloch电子的实空间分布特征。

关键技术包括：1）采用闭环制冷系统替代液氦流，结合三级隔振框架消除机械振动；2）设计-15 kV高压绝缘的低温样品台；3）自主研发7 eV激光光源实现μ-ARPES（微区角分辨光电子能谱）与相干成像。实验使用CVD法制备的Cu(111)/Cu(110)石墨烯样品，在5×10^-9 mbar超高真空下进行10小时400°C退火处理。

【Sample preparations】
通过化学气相沉积（CVD）在铜基底上生长石墨烯，经长时间高温退火获得原子级清洁表面，为高分辨成像奠定基础。

【Design and instrument of CFLT-PEEM】
系统集成商用FE-LEEM/PEEM P90镜筒与自研制冷模块，通过脉冲管制冷机实现21.1 K低温，振动幅度控制在0.1 nm以下，使室温下7.2 nm分辨率的设备性能提升近40%。

【Discussion】
该技术连续9小时成像无辐照损伤的特性远超传统电子显微镜，其4.48-5.78 nm分辨率已接近理论极限，成功解析出单个原子台阶的电子态对比度，证实了表面态分布与台阶结构的直接关联。

这项发表于《Ultramicroscopy》的研究标志着低温量子成像技术的重大突破。CFLT-PEEM兼具高时空分辨率、能带敏感性和无损检测优势，不仅为超导涡旋、电荷密度波等量子相变研究提供新范式，其 cryogen-free 设计更将实验成本降低90%，为大规模应用铺平道路。Changxi Zheng团队的工作架起了STM与ARPES数据间的桥梁，未来或可揭示高温超导中赝能隙起源等长期争议问题。