Científicos convierten una molécula de hidrógeno en un sensor cuántico

Físicos de la Universidad de California en Irvine han demostrado el uso de una molécula de hidrógeno como sensor cuántico en un microscopio de efecto túnel equipado con un láser de terahercios, una tecnología que puede medir las propiedades químicas de los materiales en una resolución temporal y espacial sin precedentes.

Esta nueva tecnología también se puede aplicar al análisis de materiales 2D que tienen el potencial de desempeñar un papel en sistemas energéticos avanzados, electrónica y computadoras cuánticas.

hoy en CienciaEn este artículo, investigadores del Departamento de Física y Astronomía y del Departamento de Química de la UCI describen cómo colocaron dos átomos de hidrógeno enlazados entre la punta de plata de un STM y una muestra formada por una superficie plana de cobre revestida con pequeñas islas de nitruro de cobre Con pulsos de láser que duran milisegundos, los científicos pudieron excitar una molécula de hidrógeno y detectar cambios en sus estados cuánticos en temperaturas criogénicas y en el entorno de muy alto vacío del instrumento, lo que da como resultado la visualización de imágenes a escala atómica de la muestra.

«Este proyecto representa un avance tanto en la tecnología de medición como en la cuestión científica que el enfoque nos ha permitido explorar», dijo el coautor Wilson Hu, profesor de física, astronomía y química de Bren. «La microscopía cuántica que se basa en investigar la superposición coherente de estados en un sistema de dos niveles es más sensible que las herramientas actuales que no se basan en este principio de la física cuántica».

Hu dijo que la molécula de hidrógeno es un ejemplo de un sistema de dos niveles porque su orientación cambia entre dos posiciones, arriba y abajo, y se inclina ligeramente horizontalmente. Con un pulso láser, los científicos pueden persuadir al sistema para que pase de un tierra estatal a mi estado de entusiasmo Periódicamente resulta en una superposición entre los dos estados. La duración de las oscilaciones periódicas es extremadamente corta, con una duración de solo decenas de picosegundos, pero al medir el «tiempo de decoherencia» y los períodos periódicos, los científicos pudieron ver cómo una molécula de hidrógeno interactúa con su entorno.

«La molécula de hidrógeno se convirtió en parte del microscopio cuántico, lo que significa que dondequiera que se escaneara el microscopio, había hidrógeno presente entre la punta y la muestra», dijo Hu. «Es una sonda muy sensible, lo que nos permite ver diferencias de hasta 0,1 angstroms. Con esta resolución, podemos ver cómo cambian las distribuciones de carga sobre la muestra».

La distancia entre la punta del STM y la muestra es casi inimaginablemente pequeña, alrededor de seis angstroms o 0,6 nm. El STM que montaron Ho y su equipo está equipado para descubrir el minuto corriente eléctrica Fluye en este espacio y produce lecturas espectrales que prueban la presencia de molécula de hidrógeno y artículos de muestra. Este experimento representa la primera evidencia de espectroscopia químicamente sensible basada en una corriente de rectificación inducida por terahercios a través de una corriente, dijo Hu. molécula única.

La capacidad de caracterizar materiales a este nivel de detalle en función de la coherencia cuántica del hidrógeno podría ser de gran utilidad en la ciencia y la ingeniería de catalizadores, ya que su trabajo a menudo depende de defectos superficiales a escala de átomos individuales, según Ho.

“Mientras el hidrógeno pueda ser absorbido por una sustancia, en principio, puedes usarlo hidrógeno como un sensor para caracterizar el material en sí mismo a través de observaciones de su distribución de campo electrostático”, dijo el autor principal del estudio, Lecon Wang, estudiante graduado en física y astronomía en UCLA.

Yunpeng Xia, estudiante de posgrado en física y astronomía de la UCI, se unió a Ho y Wang en este proyecto.