Low-temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/S) help to better understand the fundamental physics of condensed matter. We present an ultracompact STM within a Φ 10 piezo tube in a 20 T superconducting magnet. The carefully cut piezo tube contains the STM’s coarse-positioning assembly. Loading an STM tip–sample mechanical loop into the piezo tube with special cut openings enables an ultracompact pencil-size dimension down to Φ 10 mm, in which fine-machined nonmagnetic parts are assembled to enable slide–stick motion and xyz-scanning procedures. The small size leads to a higher resonant frequency, a typical feature of a rigid STM instrument, increasing its vibration immunity. Scanning by moving the sample while keeping the tip stationary improves the stability of the tip–sample junction compared to moving the tip. Taking advantage of its high-field compatibility and rigid design, our STM captures the atomically resolved topography of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) at 1.5 K and in magnetic fields up to 17 T. The topography of graphene lattice and graphite is simultaneously recorded on an atomic terrace of HOPG, unveiling a modified local charge density at a surface defect. The superconducting energy gaps of layered type-II superconductors NbSe2 and PdBi2 are well resolved through dI/dV tunneling spectra at sub-2 K. Our unique STM is highly suitable for potential STM/S applications in world-class high-field facilities where the strong magnetic field can exceed 30 T.

1.
G.
Binnig
,
H.
Rohrer
,
C.
Gerber
, and
E.
Weibel
,
Phys. Rev. Lett.
50
,
120
123
(
1983
).
2.
H.
Chen
,
H.
Yang
,
B.
Hu
,
Z.
Zhao
,
J.
Yuan
,
Y.
Xing
,
G.
Qian
,
Z.
Huang
,
G.
Li
,
Y.
Ye
et al,
Nature
599
,
222
228
(
2021
).
3.
Q.
Gu
,
S.
Wan
,
Q.
Tang
,
Z.
Du
,
H.
Yang
,
Q.-H.
Wang
,
R.
Zhong
,
J.
Wen
,
G. D.
Gu
, and
H.-H.
Wen
,
Nat. Commun.
10
,
1603
(
2019
).
4.
Y.
Yu
,
L.
Ma
,
P.
Cai
,
R.
Zhong
,
C.
Ye
,
J.
Shen
,
G. D.
Gu
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nature
575
,
156
163
(
2019
).
5.
H.
Zhao
,
H.
Li
,
B. R.
Ortiz
,
S. M. L.
Teicher
,
T.
Park
,
M.
Ye
,
Z.
Wang
,
L.
Balents
,
S. D.
Wilson
, and
I.
Zeljkovic
,
Nature
599
,
216
221
(
2021
).
6.
Y.-X.
Jiang
,
J.-X.
Yin
,
M. M.
Denner
,
N.
Shumiya
,
B. R.
Ortiz
,
G.
Xu
,
Z.
Guguchia
,
J.
He
,
M. S.
Hossain
,
X.
Liu
et al,
Nat. Mater.
20
,
1353
1357
(
2021
).
7.
S.
Park
,
S. Y.
Kim
,
H. K.
Kim
,
M. J.
Kim
,
T.
Kim
,
H.
Kim
,
G. S.
Choi
,
C. J.
Won
,
S.
Kim
,
K.
Kim
et al,
Nat. Commun.
12
,
3157
(
2021
).
8.
K. P.
Nuckolls
,
M.
Oh
,
D.
Wong
,
B.
Lian
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
B. A.
Bernevig
, and
A.
Yazdani
,
Nature
588
,
610
615
(
2020
).
9.
Y.
Choi
,
H.
Kim
,
Y.
Peng
,
A.
Thomson
,
C.
Lewandowski
,
R.
Polski
,
Y.
Zhang
,
H. S.
Arora
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
et al,
Nature
589
,
536
541
(
2021
).
10.
J.
Repicky
,
P.-K.
Wu
,
T.
Liu
,
J. P.
Corbett
,
T.
Zhu
,
S.
Cheng
,
A. S.
Ahmed
,
N.
Takeuchi
,
J.
Guerrero-Sanchez
,
M.
Randeria
et al,
Science
374
,
1484
1487
(
2021
).
11.
N.
Romming
,
C.
Hanneken
,
M.
Menzel
,
J. E.
Bickel
,
B.
Wolter
,
K.
von Bergmann
,
A.
Kubetzka
, and
R.
Wiesendanger
,
Science
341
,
636
639
(
2013
).
12.
K. P.
Nuckolls
,
R. L.
Lee
,
M.
Oh
,
D.
Wong
,
T.
Soejima
,
J. P.
Hong
,
D.
Călugăru
,
J.
Herzog-Arbeitman
,
B. A.
Bernevig
,
K.
Watanabe
et al,
Nature
620
,
525
532
(
2023
).
13.
F. J.
Giessibl
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
011101
(
2019
).
14.
S. H.
Pan
,
E. W.
Hudson
, and
J. C.
Davis
,
Rev. Sci. Instrum.
70
,
1459
1463
(
1999
).
15.
M. T.
Randeria
,
B. E.
Feldman
,
I. K.
Drozdov
, and
A.
Yazdani
,
Phys. Rev. B
93
,
161115
(
2016
).
16.
R.
Wiesendanger
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1495
1550
(
2009
).
17.
Q.
Li
,
Q.
Wang
,
Y.
Hou
, and
Q.
Lu
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
043706
(
2012
).
18.
W.
Jihao
,
W.
Li
,
S.
Zheng
,
K.
Zhao
,
Y.
Hou
,
J.
Zhang
,
Q.
Feng
,
Z.
Xia
,
Y.
Lu
,
W.
Meng
et al,
Ultramicroscopy
245
,
113668
(
2023
).
19.
K.
Zhao
,
J.
Zhang
,
W.
Meng
,
S.
Zheng
,
J.
Wang
,
Q.
Feng
,
Z.
Wang
,
Y.
Hou
,
Q.
Lu
, and
Y.
Lu
,
Ultramicroscopy
253
,
113773
(
2023
).
20.
F. D.
Natterer
,
F.
Patthey
,
T.
Bilgeri
,
P. R.
Forrester
,
N.
Weiss
, and
H.
Brune
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
013706
(
2019
).
21.
D.
Wong
,
S.
Jeon
,
K. P.
Nuckolls
,
M.
Oh
,
S. C. J.
Kingsley
, and
A.
Yazdani
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
023703
(
2020
).
22.
B. J.
Gao
,
L. R.
Ding
,
Z. J.
Wang
,
Y.
Zhang
,
J.
Li
, and
J.
Su
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
26
,
0600506
(
2016
).
23.
W.
Meng
,
K.
Zhao
,
J.
Wang
,
J.
Zhang
,
Q.
Feng
,
Z.
Wang
,
T.
Geng
,
T.
Guo
,
Y.
Hou
,
L.
Pi
et al,
Ultramicroscopy
212
,
112975
(
2020
).
24.
J.
Wang
,
T.
Geng
,
W.
Meng
,
P.
Huang
,
K.
Zhao
,
J.
Zhang
,
Q.
Feng
,
T.
Guo
,
K.
Xiang
,
Y.
Hou
et al,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
053702
(
2020
).
25.
W. G.
Chen
,
P. C.
Huang
,
Y. F.
Tan
,
J. J.
Li
,
Y. N.
Pan
,
Z. M.
Chen
,
Z. Y.
Chen
,
J. W.
Zhu
,
Z.
Fang
, and
G. L.
Kuang
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
26
,
0605904
(
2016
).
26.
S.
Hahn
,
K.
Kim
,
K.
Kim
,
X.
Hu
,
T.
Painter
,
I.
Dixon
,
S.
Kim
,
K. R.
Bhattarai
,
S.
Noguchi
,
J.
Jaroszynski
et al,
Nature
570
,
496
499
(
2019
).
27.
K.
Takahashi
,
S.
Awaji
,
Y.
Sasaki
,
K.
Koyama
, and
K.
Watanabe
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
16
,
977
980
(
2006
).
28.
J.
Toth
and
S. T.
Bole
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
28
,
4300104
(
2018
).
29.
S. A. J.
Wiegers
,
P. C. M.
Christianen
,
H.
Engelkamp
,
A.
den Ouden
,
J. A. A. J.
Perenboom
,
U.
Zeitler
, and
J. C.
Maan
,
J. Low Temp. Phys.
159
,
389
393
(
2010
).
30.
J. L.
Her
,
Y.
Kohama
,
Y. H.
Matsuda
,
K.
Kindo
,
W. H.
Yang
,
D. A.
Chareev
,
E. S.
Mitrofanova
,
O. S.
Volkova
,
A. N.
Vasiliev
, and
J. Y.
Lin
,
Supercond. Sci. Technol.
28
,
045013
(
2015
).
31.
M.
Gibertini
,
M.
Koperski
,
A. F.
Morpurgo
, and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
408
419
(
2019
).
32.
Z.
Qiu
,
M.
Holwill
,
T.
Olsen
,
P.
Lyu
,
J.
Li
,
H.
Fang
,
H.
Yang
,
M.
Kashchenko
,
K. S.
Novoselov
, and
J.
Lu
,
Nat. Commun.
12
,
70
(
2021
).
33.
T.
Song
,
Q.-C.
Sun
,
E.
Anderson
,
C.
Wang
,
J.
Qian
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
M. A.
McGuire
,
R.
Stöhr
,
D.
Xiao
et al,
Science
374
,
1140
1144
(
2021
).
34.
H. L.
Lin
,
F. G.
Yan
,
C.
Hu
,
Y. H.
Zheng
,
Y.
Sheng
,
W. K.
Zhu
,
Z. A.
Wang
,
H. Z.
Zheng
, and
K. Y.
Wang
,
Nanoscale
14
,
2352
2358
(
2022
).
35.
K. S.
Novoselov
,
A.
Mishchenko
,
A.
Carvalho
, and
A. H.
Castro Neto
,
Science
353
,
aac9439
(
2016
).
36.
W.
Zhu
,
H.
Lin
,
F.
Yan
,
C.
Hu
,
Z.
Wang
,
L.
Zhao
,
Y.
Deng
,
Z. R.
Kudrynskyi
,
T.
Zhou
,
Z. D.
Kovalyuk
et al,
Adv. Mater.
33
,
2104658
(
2021
).
37.
S.
Lou
,
B.
Lyu
,
J.
Chen
,
X.
Zhou
,
W.
Jiang
,
L.
Qiu
,
P.
Shen
,
S.
Ma
,
Z.
Zhang
,
Y.
Xie
et al,
Nano Lett.
24
,
156
164
(
2024
).
38.
J.
Zhao
,
P.
Ji
,
Y.
Li
,
R.
Li
,
K.
Zhang
,
H.
Tian
,
K.
Yu
,
B.
Bian
,
L.
Hao
,
X.
Xiao
et al,
Nature
625
,
60
65
(
2024
).
39.
B.
Zhao
,
Z.
Wan
,
Y.
Liu
,
J.
Xu
,
X.
Yang
,
D.
Shen
,
Z.
Zhang
,
C.
Guo
,
Q.
Qian
,
J.
Li
et al,
Nature
591
,
385
390
(
2021
).
40.
Z.
Zhou
,
F.
Hou
,
X.
Huang
,
G.
Wang
,
Z.
Fu
,
W.
Liu
,
G.
Yuan
,
X.
Xi
,
J.
Xu
,
J.
Lin
et al,
Nature
621
,
499
505
(
2023
).
41.
Z.
Sun
,
H.
Zhou
,
C.
Wang
,
S.
Kumar
,
D.
Geng
,
S.
Yue
,
X.
Han
,
Y.
Haraguchi
,
K.
Shimada
,
P.
Cheng
et al,
Nano Lett.
22
,
4596
4602
(
2022
).
42.
H. K.
Yoshida
,
J. Phys. Soc. Jpn.
91
,
101003
(
2022
).
43.
Y. C.
Deng
,
X. H.
Liu
,
Y. Y.
Chen
,
Z. Z.
Du
,
N.
Jiang
,
C.
Shen
,
E. Z.
Zhang
,
H. Z.
Zheng
,
H. Z.
Lu
, and
K. Y.
Wang
,
Natl. Sci. Rev.
10
,
nwac154
(
2023
).
44.
H.
Zhou
,
Z.
Wang
,
Y.
Hou
, and
Q.
Lu
,
Ultramicroscopy
147
,
133
136
(
2014
).
45.
J.
Wang
,
W.
Ge
,
Y.
Hou
, and
Q.
Lu
,
Carbon
84
,
74
81
(
2015
).
46.
S.
Hembacher
,
F. J.
Giessibl
,
J.
Mannhart
, and
C. F.
Quate
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
100
,
12539
12542
(
2003
).
You do not currently have access to this content.