Des physiciens de l’Université de Californie à Irvine ont démontré l’utilisation d’une molécule d’hydrogène comme capteur quantique dans un microscope à effet tunnel équipé d’un laser térahertz, une technique qui peut mesurer les propriétés chimiques des matériaux à des résolutions temporelles et spatiales sans précédent.
Cette nouvelle technique peut également être appliquée à l’analyse de matériaux bidimensionnels susceptibles de jouer un rôle dans les systèmes énergétiques avancés, l’électronique et les ordinateurs quantiques.
Aujourd’hui dans Science, les chercheurs du Département de physique et d’astronomie et du Département de chimie de l’UCI décrivent comment ils ont positionné deux atomes d’hydrogène liés entre la pointe d’argent du STM et un échantillon composé d’une surface plate en cuivre ornée de petits îlots de nitrure de cuivre. Avec des impulsions du laser d’une durée de plusieurs billionièmes de seconde, les scientifiques ont pu exciter la molécule d’hydrogène et détecter des changements dans ses états quantiques à des températures cryogéniques et dans l’environnement d’ultravide de l’instrument, rendant des images accélérées à l’échelle atomique de l’échantillon.
« Ce projet représente une avancée à la fois dans la technique de mesure et dans la question scientifique que l’approche nous a permis d’explorer », a déclaré le co-auteur Wilson Ho, professeur Bren de physique, d’astronomie et de chimie. « Un microscope quantique qui repose sur la vérification de la superposition cohérente d’états dans un système à deux niveaux est beaucoup plus sensible que les instruments existants qui ne sont pas basés sur ce principe de physique quantique. »
Ho a déclaré que la molécule d’hydrogène est un exemple de système à deux niveaux car son orientation se déplace entre deux positions, vers le haut et vers le bas et légèrement inclinée horizontalement. Grâce à une impulsion laser, les scientifiques peuvent amener le système à passer d’un état fondamental à un état excité de manière cyclique, ce qui entraîne une superposition des deux états. La durée des oscillations cycliques est extrêmement brève – ne durant que quelques dizaines de picosecondes – mais en mesurant ce « temps de décohérence » et les périodes cycliques, les scientifiques ont pu voir comment la molécule d’hydrogène interagissait avec son environnement.
« La molécule d’hydrogène est devenue une partie du microscope quantique en ce sens que partout où le microscope balayait, l’hydrogène était là entre la pointe et l’échantillon », a déclaré Ho. « Cela en fait une sonde extrêmement sensible, nous permettant de voir des variations jusqu’à 0,1 angström. À cette résolution, nous pourrions voir comment les distributions de charge changent sur l’échantillon. »
L’espace entre la pointe du STM et l’échantillon est incroyablement petit, environ six angströms ou 0,6 nanomètre. Le STM que Ho et son équipe ont assemblé est équipé pour détecter un courant électrique infime circulant dans cet espace et produire des lectures spectroscopiques prouvant la présence de la molécule d’hydrogène et des éléments de l’échantillon. Ho a déclaré que cette expérience représente la première démonstration d’une spectroscopie chimiquement sensible basée sur le courant de rectification induit par les térahertz à travers une seule molécule.
La capacité de caractériser les matériaux à ce niveau de détail basé sur la cohérence quantique de l’hydrogène peut être d’une grande utilité dans la science et l’ingénierie des catalyseurs, puisque leur fonctionnement dépend souvent des imperfections de surface à l’échelle des atomes uniques, selon Ho.
« Tant que l’hydrogène peut être adsorbé sur un matériau, en principe, vous pouvez utiliser l’hydrogène comme capteur pour caractériser le matériau lui-même grâce à des observations de leur distribution de champ électrostatique », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Likun Wang, étudiant diplômé de l’UCI en physique et astronomie. .
Yunpeng Xia, étudiant diplômé de l’UCI en physique et astronomie, a rejoint Ho et Wang sur ce projet.
Likun Wang et al, Détection quantique à l’échelle atomique basée sur la cohérence ultrarapide d’une molécule H 2 dans une cavité STM, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abn9220