Los científicos están convirtiendo una molécula de hidrógeno en un sensor cuántico

Físicos de la Universidad de California, Irvine, han demostrado el uso de la molécula de hidrógeno como un sensor cuántico en un microscopio de efecto túnel de escaneo láser de terahercios, una técnica que puede medir las propiedades químicas de la materia en un tiempo y espacio sin precedentes.

Esta nueva técnica también se puede utilizar para analizar materiales bidimensionales que pueden desempeñar un papel en sistemas energéticos avanzados, electrónica y computadoras cuánticas.

adentro hoy Ciencia:Investigadores del Departamento de Física, Astronomía y Química de la UCI describen cómo colocaron dos átomos con enlaces de hidrógeno a través de una «punta» de la punta de plata de un STM que consiste en una superficie plana de cobre dispuesta con pequeñas islas de nitruro de cobre. Con pulsos de un billón de segundos de un láser, los científicos pudieron estimular una molécula de hidrógeno para detectar cambios en sus estados cuánticos. temperaturas criogénicas En el entorno de vacío ultraalto del instrumento, a escala atómica, se presentan imágenes temporales de la muestra.

«Este proyecto es un gran avance tanto en la tecnología de medición como en la ciencia que nos ha permitido estudiar», dijo el coautor Wilson Hoen, profesor de física, astronomía y química. «Un microscopio cuántico basado en la superposición de estados en un sistema de dos niveles es mucho más sensible que los instrumentos existentes que no se basan en este principio de la física cuántica».

Allí, dijo, la molécula de hidrógeno es un ejemplo de un sistema de dos niveles, ya que su orientación cambia entre dos posiciones, arriba y abajo horizontalmente. Usando un pulso láser, los científicos pueden hacer que el sistema funcione condición básica a él estado excitado con un caballo cíclico, lo que conduce a la superposición de los dos estados. La duración de las fluctuaciones cíclicas es corta, desapareciendo solo por decenas de picos, pero al medir el «tiempo de ciclo» de este «desacoplamiento», los científicos pudieron ver cómo la molécula de hidrógeno interactúa con su entorno.

«La molécula de hidrógeno se convirtió en parte del microscopio cuántico en el sentido de que dondequiera que se escaneara el microscopio, el hidrógeno estaba en el medio de la muestra», dijo Ho. «Crea una sonda muy sensible que nos permite ver fluctuaciones de hasta 0,1 angstrom. Con esta resolución podemos ver cómo cambia la distribución de carga en la muestra”.

La distancia entre las muestras finales de STM es casi increíblemente pequeña, alrededor de seis angstroms o 0,6 nanómetros. El STM, ensamblado por su equipo, está repleto de minutos para descubrir electricidad fluye en este espacio և produce lecturas espectroscópicas que lo prueban molécula de hidrógeno artículos de muestra. Ho dijo que el experimento fue la primera demostración de espectroscopia químicamente sensible basada en una corriente de corrección basada en terahercios. una molecula.

La capacidad de caracterizar materiales a este nivel basándose en detalles basados ​​en la interconexión cuántica de hidrógeno puede ser de gran utilidad en la ciencia y la ingeniería de catalizadores, ya que su rendimiento a menudo depende de las imperfecciones de la superficie en una escala de un solo átomo, según Hoy.

«Mientras el hidrógeno pueda ser absorbido por el material, puede usarlo en principio hidrógeno como un sensor para caracterizar la materia a través de observaciones de sus distribuciones de campo electrostático”, dijo Likun Wang, autor principal del estudio, estudiante graduado en física y astronomía de la UCI.

En este proyecto, a Hoi և Wang se unió Yunpen Xia, estudiante de posgrado en física y astronomía de la UCI.