Physiker der University of California, Irvine, haben die Verwendung eines Wasserstoffmoleküls als Quantensensor in einem mit einem Terahertz-Laser ausgestatteten Rastertunnelmikroskop (STM) demonstriert. Mit dieser Methode können Sie die chemischen Eigenschaften von Materialien mit bisher unerreichter zeitlicher und räumlicher Auflösung messen.
Die neue Methode kann auch auf die Analyse von zweidimensionalen Materialien angewendet werden, die potenziell eine Rolle in fortschrittlichen Energiesystemen, Elektronik und Quantencomputern spielen könnten.
In der Zeitschrift Science beschreiben die Forscher, wie sie zwei gebundene Wasserstoffatome zwischen einer STM-Silberspitze und einer Probe platzierten, die aus einer flachen Kupferoberfläche mit kleinen Inseln aus Kupfernitrid bestand.
Mit Laserimpulsen, die Billionstel Sekunden dauerten, konnten Wissenschaftler ein Wasserstoffmolekül anregen und Änderungen in seinen Quantenzuständen bei kryogenen Temperaturen und im Vakuum des Geräts erkennen und Zeitlupenbilder einer Probe im atomaren Maßstab visualisieren.
Dieses Projekt stellt einen Fortschritt sowohl in der Messtechnik als auch in den wissenschaftlichen Fragen dar, die wir mit diesem Ansatz untersuchen konnten“, sagte Co-Autor Professor Wilson Ho. Ein Quantenmikroskop, das auf der Untersuchung einer kohärenten Überlagerung von Zuständen in einem Zwei-Niveau-System basiert, ist viel empfindlicher als bestehende Instrumente, die nicht auf diesem Prinzip der Quantenphysik basieren.
Das Wasserstoffmolekül ist ein Beispiel für ein Zwei-Ebenen-System, da seine Orientierung zwischen zwei Positionen wechselt: nach oben und unten, und es ist leicht horizontal geneigt. Mit einem Laserpuls können Wissenschaftler ein System dazu bringen, von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand zu wechseln, was zu einer Überlagerung der beiden Zustände führt.
Die Dauer der zyklischen Schwingungen ist verschwindend kurz – nur wenige zehn Pikosekunden – aber durch die Messung dieser Dekohärenzzeit und der zyklischen Perioden konnten die Wissenschaftler sehen, wie das Wasserstoffmolekül mit der Umgebung interagiert.
Das Wasserstoffmolekül wurde Teil des Quantenmikroskops in dem Sinne, dass sich Wasserstoff zwischen der Nadel und der Probe befand, wo immer das Mikroskop hinschaute, sagte Wilson Ho.
Dies ist eine äußerst empfindliche Sonde, die es uns ermöglicht, Änderungen bis zu 0,1 Angström zu sehen. Mit dieser Auflösung konnten wir sehen, wie sich die Ladungsverteilung auf der Probe ändert.
Der Abstand zwischen der STM-Spitze und der Probe ist extrem klein, etwa sechs Angström oder 0,6 Nanometer. Das von den Wissenschaftlern zusammengebaute STM ist so ausgestattet, dass es die winzigen elektrischen Ströme erfasst, die in diesem Raum fließen, und spektroskopische Messwerte liefert, die das Vorhandensein eines Wasserstoffmoleküls und von Probenelementen bestätigen.
Die Forscher sagen, dass das Experiment die erste Demonstration einer chemisch empfindlichen Spektroskopie darstellt, die auf Terahertz-Strom-induzierter Einzelmolekül-Gleichrichtung basiert.
Die Fähigkeit, Materialien auf dieser Detailebene basierend auf der Quantenkohärenz von Wasserstoff zu charakterisieren, kann in der Wissenschaft und beim Katalysatordesign sehr nützlich sein, da ihre Leistung oft von Oberflächendefekten auf der Skala einzelner Atome abhängt.
Da Wasserstoff an einem Material adsorbiert werden kann, könnte man Wasserstoff im Prinzip als Sensor verwenden, um das Material selbst zu charakterisieren, indem man seine elektrostatische Feldverteilung beobachtet, sagen die Wissenschaftler.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
2022-04-24 08:50:27
Autor: Vitalii Babkin