A Kaliforniai Egyetem (UCI) fizikusai Irvine-ban bemutatták, hogy kvantumszenzorként használnak egy hidrogénmolekulát egy terahertzes lézerrel felszerelt pásztázó alagútmikroszkópban (STM). Ez egy olyan technika, amely eddig elérhetetlen időbeli és térbeli felbontással képes mérni az anyagok kémiai tulajdonságait.
A Science című szaklapban ismertették az UCI Fizika és Csillagászat, illetve Kémia Tanszékének kutatói, hogy miként helyeztek el két kötött hidrogénatomot az STM ezüsthegye és az apró réz-nitrid-szigetekkel kirakott lapos rézfelületből álló minta között. A másodperc billiomod részeiig tartó lézerimpulzusokkal a tudósok képesek voltak a hidrogénmolekulát gerjeszteni és a kvantumállapotaiban bekövetkező változásokat detektálni kriogén hőmérsékleten és a műszer ultramagas vákuumkörnyezetében, így a mintáról atomi méretű, időzített képeket tudtak készíteni.
"Ez a projekt előrelépést jelent a mérési technikában és abban a tudományos kérdésben, amelyet a megközelítés lehetővé tett számunkra. Egy olyan kvantummikroszkóp, amely egy kétszintű rendszerben az állapotok koherens szuperpozíciójának szondázására támaszkodik, sokkal érzékenyebb, mint a meglévő műszerek, amelyek nem ezen a kvantumfizikai elven alapulnak" - mondta Wilson Ho professzor, a tanulmány társszerzője.
Ho szerint a hidrogénmolekula azért példa a kétszintű rendszerre, mert orientációja két helyzet között változik, felfelé és lefelé, illetve enyhén vízszintesen megdőlve. Egy lézerimpulzus segítségével a tudósok rá tudják venni a rendszert, hogy ciklikusan az alapállapotból a gerjesztett állapotba lépjen, ami a két állapot szuperpozícióját eredményezi. A ciklikus rezgések időtartama elenyészően rövid - mindössze néhány tíz pikoszekundumig tart -, de ezt a "dekoherenciaidőt" és a ciklikus periódusokat mérve a tudósok képesek voltak megfigyelni, hogy a hidrogénmolekula hogyan lép kölcsönhatásba a környezetével.
"A hidrogénmolekula a kvantummikroszkóp részévé vált abban az értelemben, hogy bárhol is pásztázott a mikroszkóp, a hidrogén ott volt a hegy és a minta között. Ez egy rendkívül érzékeny szondát tesz lehetővé, amely megengedi számunkra, hogy 0,1 angströmig terjedő változásokat lássunk. Ennél a felbontásnál láthattuk, hogyan változik a töltéseloszlás a mintán" - mondta Ho.
Az STM-csúcs és a minta közötti tér szinte elképzelhetetlenül kicsi, körülbelül hat angström, azaz 0,6 nanométer. A Ho és csapata által összeállított STM-et úgy szerelték fel, hogy érzékeli az ebben a térben folyó parányi elektromos áramot, és spektroszkópiai méréseket készít, amelyek bizonyítják a hidrogénmolekula és a minta elemeinek jelenlétét. Ho szerint ez a kísérlet az első olyan kémiailag érzékeny spektroszkópia demonstrációja, amely egyetlen molekulán keresztül folyó terahertzes egyenirányú áramon alapul.
Ho szerint az a képesség, hogy a hidrogén kvantumkoherenciáján alapuló anyagokat ilyen részletességgel jellemezhetjük, nagyon hasznos lehet a katalizátorok tudományában és mérnöki tervezésében, mivel azok működése gyakran függ az egyetlen atom nagyságrendű felületi tökéletlenségektől.
"Amíg a hidrogén adszorbeálható egy anyagra, elvileg a hidrogént szenzorként használhatjuk az anyag elektrosztatikus mezőeloszlásának megfigyelésén keresztül magának az anyagnak a jellemzésére" - mondta Likun Wang, a tanulmány vezető szerzője. Ho és Wang mellett Yunpeng Xia is részt vett a projektben - számolt be az Eurasia Review.