Физики из Калифорнийского университета в Ирвине продемонстрировали использование молекулы водорода в качестве квантового датчика в сканирующем туннельном микроскопе, оснащенном терагерцовым лазером. Этот метод позволяет измерять химические свойства материалов с беспрецедентным временным и пространственным разрешением.

Этот новый метод также можно применять для анализа двумерных материалов, которые потенциально могут сыграть роль в передовых энергетических системах, электронике и квантовых компьютерах.

Сегодня в журнале Science исследователи из Отделения физики и астрономии и Отделения химии UCI описывают, как они поместили два связанных атома водорода между серебряным наконечником СТМ и образцом, состоящим из плоской медной поверхности с небольшими островками нитрида меди. . Импульсами лазера длительностью триллионные доли секунды ученые смогли возбудить молекулу водорода и обнаружить изменения в ее квантовых состояниях при криогенных температурах и в сверхвысоком вакууме прибора, визуализируя замедленные изображения атомного масштаба. образец.

«Этот проект представляет собой прогресс как в технике измерения, так и в научных вопросах, которые подход позволил нам исследовать», — сказал соавтор Уилсон Хо, профессор физики, астрономии и химии Брена. «Квантовый микроскоп, основанный на исследовании когерентной суперпозиции состояний в двухуровневой системе, гораздо более чувствителен, чем существующие инструменты, не основанные на этом принципе квантовой физики».

Хо сказал, что молекула водорода является примером двухуровневой системы, потому что ее ориентация смещается между двумя положениями: вверх и вниз и слегка наклонена по горизонтали. С помощью лазерного импульса ученые могут заставить систему циклически переходить из основного состояния в возбужденное , что приводит к суперпозиции двух состояний. Продолжительность циклических колебаний исчезающе мала — всего несколько десятков пикосекунд, — но, измерив это «время декогеренции» и циклические периоды, ученые смогли увидеть, как молекула водорода взаимодействует с окружающей средой.

«Молекула водорода стала частью квантового микроскопа в том смысле, что куда бы ни сканировал микроскоп, водород находился между иглой и образцом», — сказал Хо. «Это чрезвычайно чувствительный зонд, позволяющий нам видеть изменения до 0,1 ангстрема. При таком разрешении мы могли видеть, как меняется распределение заряда на образце».

Пространство между наконечником СТМ и образцом почти невообразимо мало, около шести ангстрем или 0,6 нанометра. СТМ, собранный Хо и его командой, оборудован для обнаружения мельчайших электрических токов , протекающих в этом пространстве, и получения спектроскопических показаний, подтверждающих присутствие молекулы водорода и элементов образца. Хо сказал, что этот эксперимент представляет собой первую демонстрацию химически чувствительной спектроскопии, основанной на индуцированном терагерцовым током выпрямления через одну молекулу .

По словам Хо, способность характеризовать материалы на таком уровне детализации на основе квантовой когерентности водорода может быть очень полезной в науке и разработке катализаторов, поскольку их функционирование часто зависит от дефектов поверхности в масштабе отдельных атомов.

«Поскольку водород может быть адсорбирован на материале, в принципе, вы можете использовать водород в качестве датчика для характеристики самого материала путем наблюдения за распределением его электростатического поля», — сказал ведущий автор исследования Ликун Ван, аспирант UCI в области физики и астрономии.

К Хо и Вану в этом проекте присоединился Юнпэн Ся, аспирант UCI по физике и астрономии.