Fysiker vid University of California, Irvine har demonstrerat användningen av en vätemolekyl som en kvantsensor i ett terahertz-laserutrustat skanningstunnelmikroskop, en teknik som kan mäta de kemiska egenskaperna hos material vid oöverträffad tid och rumsliga upplösningar.

Denna nya teknik kan också tillämpas på analys av tvådimensionella material som har potential att spela en roll i avancerade energisystem, elektronik och kvantdatorer.

Idag inom vetenskap , beskriver forskarna vid UCI:s institution för fysik och astronomi och institutionen för kemi hur de placerade två bundna väteatomer mellan silverspetsen på STM och ett prov bestående av en platt kopparyta klädd med små öar av kopparnitrid. Med laserpulser som varade i biljondelar av en sekund kunde forskarna excitera vätemolekylen och upptäcka förändringar i dess kvanttillstånd vid kryogena temperaturer och i instrumentets ultrahöga vakuummiljö, vilket ger tidsförflutna bilder i atomskala. provet.

"Detta projekt representerar ett framsteg i både mättekniken och den vetenskapliga frågan som tillvägagångssättet tillät oss att utforska", säger medförfattaren Wilson Ho, Bren-professor i fysik &astronomi och kemi. "Ett kvantmikroskop som förlitar sig på att undersöka den koherenta superpositionen av tillstånd i ett tvånivåsystem är mycket känsligare än befintliga instrument som inte är baserade på denna kvantfysikprincip."

Ho sa att vätemolekylen är ett exempel på ett tvånivåsystem eftersom dess orientering skiftar mellan två positioner, upp och ner och något horisontellt lutande. Genom en laserpuls kan forskarna locka systemet att gå från ett grundtillstånd till ett exciterat tillstånd på ett cykliskt sätt, vilket resulterar i en överlagring av de två tillstånden. Varaktigheten av de cykliska svängningarna är försvinnande kort – varar bara tiotals pikosekunder – men genom att mäta denna "dekoherenstid" och de cykliska perioderna kunde forskarna se hur vätemolekylen interagerade med sin omgivning.

"Väkemolekylen blev en del av kvantmikroskopet i den meningen att varhelst mikroskopet skannade, var vätet där mellan spetsen och provet," sa Ho. "Det ger en extremt känslig sond, vilket gör att vi kan se variationer ner till 0,1 ångström. Vid denna upplösning kunde vi se hur laddningsfördelningarna förändras på provet."

Utrymmet mellan STM-spetsen och provet är nästan ofattbart litet, cirka sex ångström eller 0,6 nanometer. Den STM som Ho och hans team monterade är utrustad för att upptäcka minimal elektrisk ström som flyter i detta utrymme och producera spektroskopiska avläsningar som bevisar närvaron av vätemolekylen och provelementen. Ho sa att detta experiment representerar den första demonstrationen av en kemiskt känslig spektroskopi baserad på terahertz-inducerad likriktningsström genom en enda molekyl.

Förmågan att karakterisera material på denna detaljnivå baserat på vätgas kvantkoherens kan vara till stor nytta inom vetenskap och ingenjörskonst av katalysatorer, eftersom deras funktion ofta beror på ytimperfektioner i skalan av enskilda atomer, enligt Ho.

"Så länge som väte kan adsorberas på ett material, kan du i princip använda väte som en sensor för att karakterisera själva materialet genom observationer av deras elektrostatiska fältfördelning", säger studiens huvudförfattare Likun Wang, UCI doktorand i fysik och astronomi .

Yunpeng Xia, UCI doktorand i fysik och astronomi, gick med Ho och Wang i detta projekt. + Utforska vidare

ESR-STM på enstaka molekyler och molekylbaserade strukturer