Фізики з Каліфорнійського університету в Ірвіні продемонстрували використання молекули водню як квантового датчика в сканувальному тунельному мікроскопі (СТМ), оснащеному терагерцевим лазером. Цей метод дозволяє вимірювати хімічні властивості матеріалів з безпрецедентною тимчасовою і просторовою роздільною здатністю.
Новий метод також можна застосовувати для аналізу почесних матеріалів, які потенційно можуть зіграти роль у передових енергетичних системах, електроніці та квантових комп'ютерах.
У журналі Science дослідники описують, як вони помістили два пов'язаних атома водню між срібним наконечником СТМ і зразком, що складається з плоскої мідної поверхні з невеликими острівцями нітриду міді.
Імпульсами лазера тривалістю трильйонні частки секунди вчені змогли збудити молекулу водню і виявити зміни в її квантових станах при кріогенних температурах і у вакуумі приладу, візуалізуючи уповільнені зображення зразка атомного масштабу.
«Цей проект являє собою прогрес як у техніці вимірювання, так і в наукових питаннях, які підхід дозволив нам досліджувати», - сказав співавтор роботи професор Вілсон Хо. «Квантовий мікроскоп, заснований на дослідженні когерентної суперпозиції станів у дворівневій системі, набагато більш чутливий, ніж існуючі інструменти, не засновані на цьому принципі квантової фізики».
Молекула водню є прикладом дворівневої системи, тому що її орієнтація зміщується між двома положеннями: верхи і низом і вона злегка нахилена по горизонталі. За допомогою лазерного імпульсу вчені можуть змусити систему циклічно переходити з основного стану в збуджене, що призводить до суперпозиції двох станів.
Тривалість циклічних коливань зникаюче мала - всього кілька десятків пікосекунд, - але, вимірявши цей «час декогеренції» і циклічні періоди, вчені змогли побачити, як молекула водню взаємодіє з навколишнім середовищем.
«Молекула водню стала частиною квантового мікроскопа в тому сенсі, що куди б не дивився мікроскоп, водень знаходився між голкою і зразком», - сказав Вілсон Хо.
"Це надзвичайно чутливий зонд, що дозволяє нам бачити зміни до 0,1 ангстрема. При такому дозволі ми могли бачити, як змінюється розподіл заряду на зразку ".
Простір між наконечником СТМ і зразком вкрай мало, близько шести ангстрем або 0,6 нанометра. СТМ, зібраний вченими, обладнаний для виявлення найдрібніших електричних струмів, що протікають в цьому просторі, і отримання спектроскопічних показань, що підтверджують присутність молекули водню і елементів зразка.
Дослідники кажуть, що експеримент є першою демонстрацією хімічно чутливої спектроскопії, заснованої на індукованому терагерцевим струмом випрямлення через одну молекулу.
Здатність характеризувати матеріали на такому рівні деталізації на основі квантової когерентності водню може бути дуже корисною в науці і в розробці каталізаторів, оскільки їх функціонування часто залежить від дефектів поверхні в масштабі окремих атомів.
«Оскільки водень може бути адсорбований на матеріалі, в принципі, ви можете використовувати водень як датчик для характеристики самого матеріалу шляхом спостереження за розподілом його електростатичного поля», - кажуть вчені.
Дослідження було опубліковано в журналі Science.
