筑波大学の研究グループは，これまでの光学システムの仕組みを大幅に簡易化し，時間分解STM測定を容易に行なうことが可能な装置を開発するとともに，画像データ取得に必須な装置の長時間安定性の大幅な向上に成功した（ニュースリリース）。

半導体デバイスの特性を十分に理解し評価するためには，ナノスケールのデバイス構造において，ピコ秒の時間領域における電子の動き（ダイナミクス）を観察する計測技術が必要となる。

研究グループは，その有望な方法の一つとして原子1個1個を観察できる走査トンネル顕微鏡（STM）に超高速レーザー技術を組み合わせた時間分解STM装置を開発してきたが，高度な技術要素に対する深い理解と高い専門性が必要で，利用拡大を進める上での課題となっていた。

光学システムの小型化・簡易化は，外部からの電気信号でレーザーパルスの出力を制御できるレーザーの仕組みを取り入れた。今回，レーザーパルス幅が45ピコ秒の外部制御型レーザーを採用し，時間分解能80ピコ秒を達成した。

さらに，試料に照射するレーザーパルス制御系は，パルス発生器と高速スイッチを組み合わせることで，簡易に光パルスのタイミングを制御することが可能となった。以上の工夫により，時間分解STM装置が従来から格段にコンパクトになり，操作性が大幅に改善された。

また，時間分解STM測定を長時間安定に行なうためには，レーザーを照射する位置の揺れをマイクロメートル以下まで安定化することが重要になる。これを実現するためには，光学システムやSTM装置を全て環境の振動から切り離し，レーザーを集光するレンズと探針-試料接点との相対位置関係を変化させないことが重要となる。

研究では，光学系のコンパクト化により光学システムをSTM除振台上に設置することが可能となった。併せて，超高真空中の顕微鏡内にレンズを設置することで，試料表面上のレーザー照射位置が長時間経過しても変化しない安定な状況を実現した。

この装置を用いて，半導体試料（ガリウム砒素 GaAs）表面を観察し，励起された電子が170ピコ秒で元の状態に戻る様子を捉え，ピコ秒領域の時間分解能を実証した。また，試料表面に存在するステップエッジ（原子レベルの段差構造の端）やナノスケールの欠陥構造の周辺では電子のダイナミクスが1nmの空間スケールで変化し，他と異なる特性を持つ様子も画像化した。

研究グループは，これら光学系の工夫によって二次元画像の取得も容易になり，ナノ構造におけるダイナミクス観察へのより強力なツールを実現したとしている。