Oamenii de știință transformă o moleculă de hidrogen într-un senzor cuantic

În vidul ultra-înalt al unui microscop tunel de scanare, o moleculă de hidrogen este ținută între vârful de argint și probă. Exploziile de femtosecundă ale unui laser terahertz excită molecula, transformând-o într-un senzor cuantic. Credit: Wilson Ho Lab, UCI

Fizicienii de la Universitatea din California din Irvine au demonstrat utilizarea unei molecule de hidrogen ca senzor cuantic într-un microscop cu scanare tunel echipat cu un laser terahertzi, o tehnică care poate măsura proprietățile chimice ale materialelor la rezoluții temporale și spațiale fără precedent.

Această nouă tehnică poate fi aplicată și analizei materialelor bidimensionale care pot juca un rol în sisteme energetice avansate, electronice și calculatoare cuantice.

Astăzi în Ştiinţă, cercetătorii de la Departamentul de Fizică și Astronomie al UCI și de la Departamentul de Chimie descriu modul în care au poziționat doi atomi de hidrogen legați între vârful argintiu al STM și o probă constând dintr-o suprafață plată de cupru împodobită cu mici insule de nitrură de cupru. Cu impulsuri de la laser care durează câteva trilioane de secundă, oamenii de știință au reușit să excite molecula de hidrogen și să detecteze modificări ale stărilor sale cuantice la temperaturi criogenice și în mediul de vid ultra-înalt al instrumentului, redând imagini la scară atomică în time-lapse ale proba.

„Acest proiect reprezintă o descoperire atât în ​​tehnica de măsurare, cât și în chestiunea științifică pe care abordarea ne-a permis să o explorăm”, a spus co-autorul Wilson Ho, profesor de fizică, astronomie și știință în Bren. „Un microscop cuantic care se bazează pe verificarea suprapunerii coerente a stărilor într-un sistem cu două niveluri este mult mai sensibil decât instrumentele existente care nu se bazează pe acest principiu al fizicii cuantice”.

Ho a spus că molecula de hidrogen este un exemplu de sistem cu două niveluri, deoarece orientarea sa se mișcă între două poziții, în sus și în jos și ușor înclinată pe orizontală. Folosind un impuls laser, oamenii de știință pot face ca sistemul să treacă de la o stare fundamentală la o stare excitată într-o manieră ciclică, ducând la suprapunerea celor două stări. Durata oscilațiilor ciclice este extrem de scurtă – durează doar câteva zeci de picosecunde – dar măsurând acest „timp de decoerență” și perioadele ciclice, oamenii de știință au reușit să vadă cum a interacționat molecula de hidrogen cu mediul său.

Oamenii de știință transformă o moleculă de hidrogen într-un senzor cuantic

Echipa UCI responsabilă cu asamblarea și operarea microscopului de scanare tunel echipat cu un laser terahertz prezentat aici este, din stânga, Dan Bai, Ph.D. UCI. student la fizica si astronomie; Wilson Ho, profesor Bren de fizică, astronomie și chimie; Yunpeng Xia, doctorand în fizică și astronomie; și Likun Wang și doctorand în chimie. Credit: Steve Zylius / UCI

„Molecula de hidrogen a devenit parte a microscopului cuantic prin faptul că oriunde a scanat microscopul, hidrogenul se afla între vârf și probă”, a spus Ho. „Aceasta o face o sondă extrem de sensibilă, permițându-ne să vedem variații de până la 0,1 Angstromi. . La această rezoluție, am putut vedea cum se modifică distribuțiile de taxe pe eșantion.”

Spațiul dintre vârful STM și probă este incredibil de mic, aproximativ șase angstromi sau 0,6 nanometri. STM-ul pe care Ho și echipa sa l-au asamblat este echipat să detecteze un curent electric minut care curge prin acest spațiu și să producă citiri spectroscopice care demonstrează prezența moleculei de hidrogen și a elementelor din probă. Ho a spus că experimentul reprezintă prima demonstrație a spectroscopiei sensibile chimic bazată pe curentul de rectificare indus de teraherți printr-o singură moleculă.

Capacitatea de a caracteriza materialele la acest nivel de detaliu pe baza coerenței cuantice a hidrogenului poate fi de mare folos în știința și ingineria catalizatorilor, deoarece funcționarea lor depinde adesea de imperfecțiunile suprafeței la scară.atomi unici, conform lui Ho.

„Atâta timp cât hidrogenul poate fi adsorbit pe un material, în principiu, puteți utiliza hidrogenul ca senzor pentru a caracteriza materialul în sine prin observarea distribuției câmpului lor electrostatic”, a spus autorul principal al studiului, Likun Wang, un student absolvent UCI. în fizică și astronomie. .

Yunpeng Xia, un student absolvent al UCI în fizică și astronomie, s-a alăturat lui Ho și Wang în acest proiect.


ESR-STM pe molecule singulare și structuri bazate pe molecule


Mai multe informatii:
Likun Wang și colab., Detectarea cuantică la scară atomică bazată pe coerența ultrarapidă a unei molecule de H2 într-o cavitate STM, Ştiinţă (2022). DOI: 10.1126/science.abn9220

Furnizat de Universitatea din California, Irvine

Citat: Oamenii de știință transformă molecula de hidrogen în senzor cuantic (2022, 22 aprilie) Preluat la 22 aprilie 2022 de la https://phys.org/news/2022-04-scientists-hydrogen-molecule-quantum-sensor.html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment