氫分子可化身量子傳感器 具有前所未有的時間和空間分辨率

2022年4月21日，在《科學》雜志上，UCI物理與天文學系和化學系的研究人員描述了他們?nèi)绾螌蓚€結(jié)合的氫原子置于STM的銀尖和一個由平坦的銅表面排列的氮化銅小島組成的樣品之間。通過持續(xù)時間僅為萬億分之一秒的激光脈沖，科學家們能夠激發(fā)氫分子，并在低溫和儀器的超高真空環(huán)境下檢測其量子態(tài)的變化，呈現(xiàn)出樣品的原子級時空圖像。

"該項目代表了測量技術(shù)和該方法允許我們探索的科學問題的進步，"共同作者、Donald Bren物理學與天文學和化學教授Wilson Ho說。"依靠探測兩級系統(tǒng)中狀態(tài)的相干疊加的量子顯微鏡比不基于這種量子物理原理的現(xiàn)有儀器要敏感得多。"

Ho說，氫分子是一個兩級系統(tǒng)的例子，因為它的方向在兩個位置之間轉(zhuǎn)換，即上下和稍微水平傾斜。通過一個激光脈沖，科學家們可以哄騙該系統(tǒng)以循環(huán)的方式從基態(tài)到激發(fā)態(tài)，從而形成兩種狀態(tài)的疊加。循環(huán)振蕩的持續(xù)時間非常短暫--僅持續(xù)幾十皮秒--但通過測量這個"退相干時間"和循環(huán)周期，科學家們能夠看到氫分子是如何與其環(huán)境互動的。

負責組裝和使用配備太赫茲激光器的掃描隧道顯微鏡的UCI團隊，從左到右分別是：UCI物理與天文學博士生Bai Dan；Bren物理與天文學和化學教授Wilson Ho；物理與天文學博士生Xia Yunpeng；以及化學博士生Wang likun。

"氫分子成為了量子顯微鏡的一部分，因為無論顯微鏡掃描到哪里，氫都在尖端和樣品之間，它使一個極其敏感的探針，使我們能夠看到低至0.1埃的變化。在這種分辨率下，我們可以看到樣品上的電荷分布如何變化。"

STM尖端和樣品之間的空間幾乎小得難以想象，大約6埃或0.6納米。Ho和他的團隊組裝的STM配備了檢測在這個空間流動的微小電流，并產(chǎn)生光譜讀數(shù)，證明氫分子和樣品元素的存在。這個實驗代表了基于太赫茲誘導的整流電流通過單個分子的化學敏感光譜學的首次展示。

基于氫的量子相干性在這一層次上表征材料的能力在催化劑的科學和工程方面可以有很大的用處，因為它們的功能往往取決于單原子規(guī)模的表面缺陷。

研究的主要作者、UCI物理與天文學專業(yè)的研究生Likun Wang說："只要氫氣可以被吸附在一種材料上，原則上，你可以用氫氣作為傳感器，通過觀察它們的靜電場分布來描述材料本身。"