I fisici dell'Università della California, Irvine, hanno dimostrato l'uso di una molecola di idrogeno come sensore quantistico in un microscopio a effetto tunnel (STM) dotato di un laser terahertz. Questo metodo consente di misurare le proprietà chimiche dei materiali con una risoluzione temporale e spaziale senza precedenti.
Il nuovo metodo può essere applicato anche all'analisi di materiali bidimensionali che potrebbero potenzialmente svolgere un ruolo nei sistemi energetici avanzati, nell'elettronica e nei computer quantistici.
Nella rivista Science, i ricercatori descrivono come hanno posizionato due atomi di idrogeno legati tra una punta d'argento STM e un campione costituito da una superficie piatta di rame con piccole isole di nitruro di rame.
Con impulsi laser della durata di trilionesimi di secondo, gli scienziati sono stati in grado di eccitare una molecola di idrogeno e rilevare i cambiamenti nei suoi stati quantistici a temperature criogeniche e nel vuoto del dispositivo, visualizzando immagini al rallentatore di un campione su scala atomica.
Questo progetto rappresenta un progresso sia nella tecnica di misurazione che nelle questioni scientifiche che l'approccio ci ha permesso di esplorare", ha affermato il coautore, il professor Wilson Ho. Un microscopio quantistico basato sullo studio di una sovrapposizione coerente di stati in un sistema a due livelli è molto più sensibile degli strumenti esistenti non basati su questo principio della fisica quantistica.
La molecola di idrogeno è un esempio di sistema a due livelli perché il suo orientamento si sposta tra due posizioni: su e giù, ed è leggermente inclinata orizzontalmente. Con un impulso laser, gli scienziati possono far passare un sistema da uno stato fondamentale a uno stato eccitato, con conseguente sovrapposizione dei due stati.
La durata delle oscillazioni cicliche è incredibilmente breve - solo poche decine di picosecondi - ma misurando questo tempo di decoerenza e periodi ciclici, gli scienziati sono stati in grado di vedere come la molecola di idrogeno interagisce con l'ambiente.
La molecola di idrogeno è diventata parte del microscopio quantistico, nel senso che ovunque il microscopio guardasse, l'idrogeno si trovava tra l'ago e il campione, ha detto Wilson Ho.
Questa è una sonda estremamente sensibile, che ci consente di vedere variazioni fino a 0,1 angstrom. Con questa risoluzione, abbiamo potuto vedere come cambia la distribuzione della carica sul campione.
Lo spazio tra la punta STM e il campione è estremamente piccolo, circa sei angstrom o 0,6 nanometri. L'STM assemblato dagli scienziati è attrezzato per rilevare le minuscole correnti elettriche che scorrono in questo spazio e produrre letture spettroscopiche che confermano la presenza di una molecola di idrogeno e di elementi del campione.
I ricercatori affermano che l'esperimento rappresenta la prima dimostrazione di spettroscopia chimicamente sensibile basata sulla rettifica di una singola molecola indotta da terahertz.
La capacità di caratterizzare i materiali a questo livello di dettaglio in base alla coerenza quantistica dell'idrogeno può essere molto utile nella scienza e nella progettazione di catalizzatori, poiché le loro prestazioni spesso dipendono da difetti superficiali sulla scala dei singoli atomi.
Poiché l'idrogeno può essere adsorbito su un materiale, in linea di principio è possibile utilizzare l'idrogeno come sensore per caratterizzare il materiale stesso osservandone la distribuzione del campo elettrostatico, affermano gli scienziati.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science.
2022-04-24 08:50:27
Autore: Vitalii Babkin