筑波大学の研究グループは，原子間力顕微鏡法（AFM）と独自のレーザー技術を組み合わせた新しい時間分解AFM装置を開発した（ニュースリリース）。
研究グループは，走査トンネル顕微鏡（STM）とレーザー技術を組み合わせ，ナノレベルの空間分解能とフェムト秒レベルの時間分解能を両立する時間分解STM法を開発してきたが，STMは探針と試料の間に流れる電流を利用するため対象が半導体や金属に限られる。
今回，AFMと独自の超短パルスレーザー技術を組み合わせた装置を開発した。AFMは，探針先端と試料の間にかかる力を測定するので，絶縁体も含めた材料を原子スケールで観察できる。
実験では多層セレン化タングステン（WSe2）を試料に用いた。針先に光パルスが照射されている瞬間だけ誘起される双極子同士の相互作用による力の時間変化を測定し，光照射で生成した電荷の再結合や拡散といったダイナミクスを高いSN比で評価に成功した。
AFMやSTMなどのプローブ顕微鏡と光技術を組み合わせる場合，微弱な時間分解信号を検出するには，励起光を変調し，それに対応して変化する信号を計測する。その際，通常は光の強度を変調する。
しかし，光を照射すると針や試料が熱膨張する。探針と試料間の距離を一定に保つために光量を変化させると正確な計測が難しい。そこで研究グループは，遅延時間を周期的に変化させる独自手法「遅延時間変調法」をAFMに適用し，光強度を一定にした状態でロックイン計測することでダイナミクスに由来する微弱な信号を測定した。
得られた時間分解信号を解析するためには，光を当てた時に生じる表面の電荷分布についても調べる必要がある。これには原子間力分光法を用いた。試料表面に電荷があると，探針との間に電気的な力が働く。
従って，探針-試料間に電圧を印加し，静電気力が最も小さくなる電圧（電位）を測定することで，試料表面に誘起されている電荷量に対応する値を求められる。照射される光が強くなると試料の電位が高くなり，より多くの電子が表面に集まる様子が確認できた。
同時に計測されたトンネル電流の変化や，時間分解STMで得られた結果から，今回得られた時間分解信号の起源が，光照射で生成した電荷の再結合や拡散であると解明した。
さらに，時間分解AFMは電流を流す必要がないため，表面に集まる電荷を変化させることがなく，測定中の試料に与える影響が小さいという特長も確認した。
研究グループは，これまでにない新しい原理の発見や，光学分野にとどまらず広く新しい科学の創出に貢献することが期待される成果だとしている。
