科学家将氢分子转化为量子传感器

在扫描隧道显微镜的超高真空中，氢分子被保持在银尖和样品之间。太赫兹激光的飞秒脉冲激发分子，将其变成量子传感器。图片来源：Wilson Ho Lab， UCI

加州大学欧文分校的物理学家已经证明了在配备太赫兹激光的扫描隧道显微镜中使用氢分子作为量子传感器，这种技术可以在前所未有的时间和空间分辨率下测量材料的化学性质。

这种新技术还可以应用于二维材料的分析，这些材料有可能在先进的能源系统，电子学和量子计算机中发挥作用。

今天在科学中，UCI物理与天文学系和化学系的研究人员描述了他们如何在STM的银尖和由扁平铜表面组成的样品之间定位两个结合的氢原子，该样品由排列有氮化铜的小岛组成。随着激光脉冲持续万亿分之一秒，科学家们能够激发氢分子，并在低温和仪器的超高真空环境中检测其量子态的变化，从而呈现出原子尺度的，延时图像的样品。

“这个项目代表了测量技术和科学问题的进步，这种方法使我们能够探索，”共同作者，Bren物理学，天文学和化学教授Wilson Ho说。“依赖于探测两级系统中状态相干叠加的量子显微镜比不基于这种量子物理原理的现有仪器要敏感得多。

Ho说，氢分子是两级系统的一个例子，因为它的方向在两个位置之间移动，上下和略微水平倾斜。通过激光脉冲，科学家们可以诱导系统以循环方式从基态变为激发态，从而导致两种状态的叠加。循环振荡的持续时间非常短暂 - 仅持续数十皮秒 - 但通过测量这个“退相干时间”和循环周期，科学家们能够看到氢分子如何与其环境相互作用。

负责组装和使用配备太赫兹激光的扫描隧道显微镜的UCI团队，从左到右是UCI物理学和天文学博士生Dan Bai;Wilson Ho，Bren物理学、天文学和化学教授;Yunpeng Xia，物理学和天文学博士生;和王立坤和化学博士候选人。图片来源：Steve Zylius / UCI

“氢分子成为量子显微镜的一部分，因为无论显微镜扫描到哪里，氢气都在尖端和样品之间，”Ho说，“这是一个非常灵敏的探针，使我们能够看到低至0.1埃的变化。在这个分辨率下，我们可以看到样品上的电荷分布是如何变化的。

STM尖端和样品之间的空间几乎小得难以想象，约为6埃或0.6纳米。Ho和他的团队组装的STM能够检测在这个空间中流动的微小电流，并产生光谱读数，证明氢分子和样品元素的存在。Ho说，这个实验代表了基于太赫兹诱导的通过单个分子的整流电流的化学敏感光谱的首次演示。

根据Ho的说法，基于氢的量子相干性在这种细节水平上表征材料的能力在催化剂的科学和工程中非常有用，因为它们的功能通常取决于单个原子尺度上的表面缺陷。

“只要氢可以吸附到材料上，原则上，你可以使用氢气作为传感器，通过观察它们的静电场分布来表征材料本身，”该研究的主要作者Likun Wang说，他是UCI物理学和天文学研究生。

与Ho和Wang一起参与这个项目的是UCI物理学和天文学研究生Yunpeng Xia。