Wissenschaftler verwandeln ein Wasserstoffmolekül in einen Quantensensor

Physiker der University of California, Irvine, haben die Verwendung eines Wasserstoffmoleküls als Quantensensor in einem mit einem Terahertz-Laser ausgestatteten Rastertunnelmikroskop demonstriert, einer Technik, mit der die chemischen Eigenschaften von Materialien mit beispielloser zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden können.

Diese neue Technik kann auch auf die Analyse von zweidimensionalen Materialien angewendet werden, die das Potenzial haben, in fortschrittlichen Energiesystemen, Elektronik und Quantencomputern eine Rolle zu spielen.

Heute in Wissenschaft, beschreiben die Forscher der UCI-Abteilung für Physik und Astronomie und der Abteilung für Chemie, wie sie zwei gebundene Wasserstoffatome zwischen der Silberspitze des STM und einer Probe positionierten, die aus einer flachen Kupferoberfläche mit kleinen Inseln aus Kupfernitrid bestand. Mit Pulsen des Lasers, die Billionstel Sekunden dauerten, konnten die Wissenschaftler das Wasserstoffmolekül anregen und Änderungen in seinen Quantenzuständen bei kryogenen Temperaturen und in der Ultrahochvakuumumgebung des Instruments nachweisen, wodurch Zeitrafferbilder im atomaren Maßstab erstellt wurden die Probe.

„Dieses Projekt stellt einen Fortschritt sowohl in der Messtechnik als auch in der wissenschaftlichen Frage dar, die wir mit dem Ansatz untersuchen konnten“, sagte Co-Autor Wilson Ho, Bren-Professor für Physik, Astronomie und Chemie. „Ein Quantenmikroskop, das darauf angewiesen ist, die kohärente Überlagerung von Zuständen in einem Zwei-Ebenen-System zu untersuchen, ist viel empfindlicher als bestehende Instrumente, die nicht auf diesem quantenphysikalischen Prinzip basieren.“

Ho sagte, das Wasserstoffmolekül sei ein Beispiel für ein Zwei-Ebenen-System, da sich seine Orientierung zwischen zwei Positionen verschiebt, nach oben und unten und leicht horizontal geneigt. Durch einen Laserpuls können die Wissenschaftler das System dazu bringen, zyklisch von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand zu wechseln, was zu einer Überlagerung der beiden Zustände führt. Die Dauer der zyklischen Oszillationen ist verschwindend kurz – sie dauert nur zehn Pikosekunden – aber durch die Messung dieser „Dekohärenzzeit“ und der zyklischen Perioden konnten die Wissenschaftler sehen, wie das Wasserstoffmolekül mit seiner Umgebung interagiert.

„Das Wasserstoffmolekül wurde Teil des Quantenmikroskops in dem Sinne, dass überall dort, wo das Mikroskop scannte, der Wasserstoff zwischen der Spitze und der Probe vorhanden war“, sagte Ho. „Es ist eine extrem empfindliche Sonde, die es uns ermöglicht, Variationen bis zu 0,1 Angström zu sehen. Bei dieser Auflösung konnten wir sehen, wie sich die Ladungsverteilungen auf der Probe ändern.“

Der Abstand zwischen der STM-Spitze und der Probe ist fast unvorstellbar klein, etwa sechs Angström oder 0,6 Nanometer. Das von Ho und seinem Team zusammengestellte STM ist so ausgestattet, dass es winzige elektrische Ströme, die in diesem Raum fließen, erkennen und spektroskopische Messwerte erzeugen kann, die das Vorhandensein des Wasserstoffmoleküls und der Probenelemente beweisen. Ho sagte, dieses Experiment stelle die erste Demonstration einer chemisch empfindlichen Spektroskopie dar, die auf Terahertz-induziertem Gleichrichtungsstrom durch ein einzelnes Molekül basiert.

Die Fähigkeit, Materialien auf dieser Detailebene basierend auf der Quantenkohärenz von Wasserstoff zu charakterisieren, kann laut Ho in der Wissenschaft und Technik von Katalysatoren von großem Nutzen sein, da ihre Funktion oft von Oberflächenfehlern auf der Ebene einzelner Atome abhängt.

„Solange Wasserstoff auf einem Material adsorbiert werden kann, kann man Wasserstoff im Prinzip als Sensor verwenden, um das Material selbst durch Beobachtungen seiner elektrostatischen Feldverteilung zu charakterisieren“, sagte der Hauptautor der Studie, Likun Wang, UCI-Doktorand in Physik und Astronomie .

Yunpeng Xia, UCI-Absolventin in Physik und Astronomie, schloss sich Ho und Wang bei diesem Projekt an.