Vetymolekyylistä kvanttisensori

Kalifornia Irivinin yliopiston fyysikot ovat osoittaneet vetymolekyylin käytön kvanttisensorina terahertsilaserilla varustetussa pyyhkäisytunnelimikroskoopissa.

Suurempi kuva

Tällä uudella tekniikalla voidaan mitata materiaalien kemiallisia ominaisuuksia ennennäkemättömällä aika- ja tilantarkkuudella. Sitä voidaan soveltaa myös sellaisten kaksiulotteisten materiaalien analysointiin, joilla voi olla rooli kehittyneissä energiajärjestelmissä, elektroniikassa ja kvanttitietokoneissa.

Tutkimusjulkaisussaan tutkijat kuvaavat, kuinka he sijoittivat kaksi sitoutunutta vetyatomia STM:n hopeakärjen ja näytteen väliin, joka koostui tasaisesta kuparipinnasta, jossa on pieniä kuparinitridisaarekkeita.

Laserpulssien kestäessä sekunnin biljoonasosia, tutkijat pystyivät virittämään vetymolekyylin ja havaitsemaan muutokset sen kvanttitiloissa kryogeenisissä lämpötiloissa ja instrumentin ultrakorkeassa tyhjiöympäristössä, jolloin saatiin atomimittakaavaisia, ajankulun mukaisia kuvia näytteestä.

"Tämä projekti edustaa edistystä sekä mittaustekniikassa että tieteellisessä kysymyksessä, jota lähestymistapa antoi meille mahdollisuuden tutkia", sanoo professori Wilson Ho. "Kvanttimikroskooppi, joka luottaa tilojen koherentin superpositioon kaksitasoisessa järjestelmässä, on paljon herkempi kuin olemassa olevat instrumentit, jotka eivät perustu tähän kvanttifysiikan periaatteeseen."

Ho jatkaa, että vetymolekyyli on esimerkki kaksitasoisesta järjestelmästä, joka laserpulssin avulla sitä voidaan houkutella siirtymään perustilasta viritettyyn tilaan syklisesti, mikä johtaa kahden tilan superpositioon. Syklisten värähtelyjen kesto on vain kymmeniä pikosekunteja mutta mittaamalla tämä "dekoherenssiaika" ja sykliset jaksot tieteilijät pystyivät näkemään, kuinka vetymolekyyli oli vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa.

"Vetymolekyylistä tuli osa kvanttimikroskooppia siinä mielessä, että missä tahansa alueella mikroskoopilla skannattiin, vety pysyi kärjen ja näytteen välissä", sanoi Ho

"Se saa aikaiseksi erittäin herkän anturin, jonka avulla voimme nähdä vaihtelut 0,1 angströmiin asti. Tällä resoluutiolla voimme nähdä, kuinka varausjakaumat muuttuvat näytteessä." Ho kertoo, että tämä koe edustaa ensimmäistä osoitusta kemiallisesti herkästä spektroskopiasta, joka perustuu terahertsi-indusoituun tasasuuntausvirtaan yhden molekyylin läpi.

Hon mukaan kyky karakterisoida materiaaleja näin yksityiskohtaisella tasolla vedyn kvanttikoherenssin perusteella voi olla erittäin hyödyllinen katalyyttien tieteessä ja suunnittelussa, koska niiden toiminta riippuu usein pinnan epätäydellisyydestä yksittäisten atomien mittakaavassa.

"Niin kauan kuin vetyä voidaan adsorboida materiaaliin, voit periaatteessa käyttää vetyä anturina itse materiaalin karakterisoimiseksi havainnoimalla niiden sähköstaattisen kentän jakautumista", sanoi tutkimuksen johtava kirjoittaja Likun Wang, UCI:n fysiikan ja tähtitieteen jatko-opiskelija.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttianturit ohenevat

Uudenlaisen kvanttitutkan prototyyppi

Kvanttianturi kattaa koko radiotaajuusspektrin