Ученые превратили молекулу водорода в квантовый датчик
Физики из Калифорнийского университета в Ирвине продемонстрировали использование молекулы водорода в качестве квантового датчика в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ), оснащенном терагерцовым лазером. Этот метод позволяет измерять химические свойства материалов с беспрецедентным временным и пространственным разрешением.
Новый метод также можно применять для анализа двумерных материалов, которые потенциально могут сыграть роль в передовых энергетических системах, электронике и квантовых компьютерах.
В журнале Science исследователи 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 вакууме прибора, визуализируя замедленные изображения образца атомного масштаба.
«Этот проект представляет собой прогресс как в технике измерения, так и в научных вопросах, которые подход позволил нам исследовать», — сказал соавтор работы профессор Уилсон Хо. «Квантовый микроскоп, основанный на исследовании когерентной суперпозиции состояний в двухуровневой системе, гораздо более чувствителен, чем существующие инструменты, не основанные на этом принципе квантовой физики».
Молекула водорода является примером двухуровневой системы, потому что ее ориентация смещается между двумя положениями: верхом и низом и она 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 смотрел микроскоп, водород находился между иглой и образцом», — сказал Уилсон 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 крайне мало, около шести ангстрем или 0,6 нанометра. СТМ, собранный учеными, оборудован для обнаружения мельчайших электрических токов, протекающих в этом пространстве, и получения спектроскопических показаний, подтверждающих присутствие молекулы водорода и элементов образца.
Исследователи говорят, что эксперимент представляет собой первую демонстрацию химически чувствительной спектроскопии, основанной на индуцированном терагерцовым током выпрямления через одну молекулу .
Способность характеризовать материалы на таком уровне детализации на основе квантовой когерентности водорода может быть очень полезной в науке и в 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», — говорят ученые.
Исследование было опубликовано в журнале Science.