22 آوریل 2022 -توسط برایان بل، دانشگاه کالیفرنیا، ایروین
در خلاء فوق‌العاده یک میکروسکوپ تونلی روبشی، یک مولکول هیدروژن بین نوک نقره و نمونه نگه داشته می‌شود. انفجارهای فمتوثانیه ای لیزر تراهرتز، مولکول را تحریک می کند و آن را به یک حسگر کوانتومی تبدیل می کند. اعتبار: آزمایشگاه ویلسون هو، UCI
فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا در ایروین استفاده از یک مولکول هیدروژن را به عنوان یک حسگر کوانتومی در میکروسکوپ تونلی روبشی مجهز به لیزر تراهرتز نشان داده‌اند، تکنیکی که می‌تواند خواص شیمیایی مواد را در زمان و تفکیک‌پذیری‌های مکانی بی‌سابقه اندازه‌گیری کند.
این تکنیک جدید همچنین می تواند برای تجزیه و تحلیل مواد دو بعدی که پتانسیل ایفای نقش در سیستم های انرژی پیشرفته، الکترونیک و کامپیوترهای کوانتومی را دارند، به کار رود.
در Science، محققان دپارتمان فیزیک و نجوم و دپارتمان شیمی UCI توضیح می‌دهند که چگونه دو اتم متصل هیدروژن را در بین نوک نقره STM و نمونه‌ای متشکل از یک سطح مس مسطح با جزایر کوچک نیترید مس قرار دادند. . با پالس های لیزری که تریلیونم ثانیه طول می کشد، دانشمندان توانستند مولکول هیدروژن را تحریک کنند و تغییرات در حالات کوانتومی آن را در دماهای برودتی و در محیط خلاء فوق العاده بالای ابزار تشخیص دهند و تصاویری در مقیاس اتمی و زمان سپری شده ارائه کنند.
ویلسون هو، استاد فیزیک و نجوم و شیمی، یکی از نویسندگان این پروژه، گفت: «این پروژه هم در تکنیک اندازه‌گیری و هم در سؤال علمی پیشرفتی را نشان می‌دهد. یک میکروسکوپ کوانتومی که بر کاوش برهم نهی منسجم حالات در یک سیستم دو سطحی تکیه دارد، بسیار حساس‌تر از ابزارهای موجود است که بر اساس این اصل فیزیک کوانتومی نیستند.
هو گفت که مولکول هیدروژن نمونه ای از یک سیستم دو سطحی است زیرا جهت آن بین دو موقعیت، بالا و پایین و کمی کج به سمت افقی تغییر می کند. از طریق یک پالس لیزر، دانشمندان می‌توانند سیستم را وادار کنند که از حالت پایه به حالت برانگیخته به صورت چرخه‌ای برود که منجر به برهم نهی دو حالت می‌شود. مدت زمان نوسانات چرخه‌ای بسیار کوتاه است – فقط ده‌ها پیکوثانیه طول می‌کشد – اما دانشمندان با اندازه‌گیری این “زمان عدم انسجام” و دوره‌های چرخه‌ای توانستند نحوه تعامل مولکول هیدروژن با محیط خود را ببینند.
هو گفت: «مولکول هیدروژن بخشی از میکروسکوپ کوانتومی شد به این معنا که هر جا که میکروسکوپ اسکن می‌کرد، هیدروژن بین نوک و نمونه قرار داشت. این یک کاوشگر بسیار حساس را ایجاد می‌کند و به ما امکان می‌دهد تا تغییرات تا 0.1 آنگستروم را ببینیم. در این وضوح، می‌توانیم نحوه تغییر توزیع بار در نمونه را ببینیم.
فضای بین نوک STM و نمونه تقریباً غیرقابل تصور کوچک است، حدود شش آنگستروم یا 0.6 نانومتر. STM که هو و تیمش مونتاژ کردند مجهز به تشخیص جریان الکتریکی کوچکی است که در این فضا جریان دارد و خوانش‌های طیف‌سنجی وجود مولکول هیدروژن و عناصر نمونه را تولید می‌کند. هو گفت این آزمایش نشان دهنده اولین نمایش طیف سنجی حساس شیمیایی بر اساس جریان یکسوسازی القایی تراهرتز از طریق یک مولکول است.
به گفته هو، توانایی مشخص کردن مواد در این سطح از جزئیات بر اساس انسجام کوانتومی هیدروژن می‌تواند در علم و مهندسی کاتالیزورها استفاده زیادی داشته باشد، زیرا عملکرد آنها اغلب به عیوب سطحی در مقیاس تک اتم‌ها بستگی دارد.
لیکون وانگ، نویسنده ارشد این مطالعه، دانشجوی فارغ التحصیل UCI در رشته فیزیک و نجوم، گفت: «تا زمانی که هیدروژن را می توان روی یک ماده جذب کرد، در اصل، می توانید از هیدروژن به عنوان حسگر برای مشخص کردن خود ماده از طریق مشاهدات توزیع میدان الکترواستاتیک آنها استفاده کنید.
