Forskere forvandler et brintmolekyle til en kvantesensor

Fysikere ved University of California, Irvine har demonstreret brugen af ​​et brintmolekyle som en kvantesensor i et terahertz-laserudstyret scanningstunnelmikroskop, en teknik, der kan måle materialers kemiske egenskaber med hidtil uset tid og rumlige opløsninger.

Denne nye teknik kan også anvendes til analyse af todimensionelle materialer, som har potentialet til at spille en rolle i avancerede energisystemer, elektronik og kvantecomputere.

I dag i Science , beskriver forskerne i UCI's Institut for Fysik &Astronomi og Institut for Kemi, hvordan de placerede to bundne brintatomer mellem sølvspidsen af ​​STM og en prøve bestående af en flad kobberoverflade beklædt med små øer af kobbernitrid. Med laserimpulser, der varede trilliontedele af et sekund, var forskerne i stand til at excitere brintmolekylet og detektere ændringer i dets kvantetilstande ved kryogene temperaturer og i instrumentets ultrahøje vakuummiljø, hvilket gengiver atom-skala, tidsforløbne billeder af prøven.

"Dette projekt repræsenterer et fremskridt i både måleteknikken og det videnskabelige spørgsmål, som tilgangen tillod os at udforske," sagde medforfatter Wilson Ho, Bren-professor i fysik &astronomi og kemi. "Et kvantemikroskop, der er afhængigt af at undersøge den sammenhængende superposition af tilstande i et to-niveau system, er meget mere følsomt end eksisterende instrumenter, der ikke er baseret på dette kvantefysiske princip."

Ho sagde, at brintmolekylet er et eksempel på et to-niveau system, fordi dets orientering skifter mellem to positioner, op og ned og lidt vandret vippet. Gennem en laserpuls kan forskerne lokke systemet til at gå fra en grundtilstand til en ophidset tilstand på en cyklisk måde, hvilket resulterer i en superposition af de to tilstande. Varigheden af ​​de cykliske svingninger er forsvindende kort – varer kun snesevis af picosekunder – men ved at måle denne "dekohærenstid" og de cykliske perioder var forskerne i stand til at se, hvordan brintmolekylet interagerede med dets miljø.

"Brintmolekylet blev en del af kvantemikroskopet i den forstand, at uanset hvor mikroskopet scannede, var brinten der mellem spidsen og prøven," sagde Ho. "Det giver en ekstremt følsom sonde, som giver os mulighed for at se variationer ned til 0,1 ångstrøm. Ved denne opløsning kunne vi se, hvordan ladningsfordelingerne ændrer sig på prøven."

Afstanden mellem STM-spidsen og prøven er næsten ufattelig lille, omkring seks ångstrøm eller 0,6 nanometer. Den STM, som Ho og hans team samlede, er udstyret til at detektere minimal elektrisk strøm, der flyder i dette rum og producere spektroskopiske aflæsninger, der beviser tilstedeværelsen af ​​brintmolekylet og prøveelementerne. Ho sagde, at dette eksperiment repræsenterer den første demonstration af en kemisk følsom spektroskopi baseret på terahertz-induceret ensretningsstrøm gennem et enkelt molekyle.

Evnen til at karakterisere materialer på dette detaljeringsniveau baseret på brints kvantekohærens kan være til stor nytte i videnskaben og teknikken af ​​katalysatorer, da deres funktion ofte afhænger af overfladeufuldkommenheder på skalaen af ​​enkelte atomer, ifølge Ho.

"Så længe brint kan adsorberes på et materiale, kan du i princippet bruge brint som en sensor til at karakterisere selve materialet gennem observationer af deres elektrostatiske feltfordeling," siger studieleder Likun Wang, UCI kandidatstuderende i fysik og astronomi .

Yunpeng Xia, UCI kandidatstuderende i fysik og astronomi, sluttede sig til Ho og Wang i dette projekt. + Udforsk yderligere

ESR-STM på enkelte molekyler og molekylebaserede strukturer