Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Molekul Hidrogen Diubah Menjadi Sensor Kuantum

Dalam vakum ultrahigh dari mikroskop tunneling pemindaian, molekul hidrogen diadakan antara ujung perak dan sampel. Semburan femtosecond dari laser terahertz menggairahkan molekul, mengubahnya menjadi sensor kuantum. Kredit: Wilson Ho Lab, UCI

Fisikawan di University of California, Irvine telah mendemonstrasikan penggunaan molekul hidrogen sebagai sensor kuantum dalam mikroskop tunneling pemindaian yang dilengkapi laser terahertz, sebuah teknik yang dapat mengukur sifat kimia bahan pada waktu dan resolusi spasial yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Teknik baru ini juga dapat diterapkan pada analisis material dua dimensi yang berpotensi berperan dalam sistem energi canggih, elektronik, dan komputer kuantum.

Hari ini di Science , para peneliti di Departemen Fisika & Astronomi dan Departemen Kimia UCI menggambarkan bagaimana mereka menempatkan dua atom hidrogen yang terikat di antara ujung perak STM dan sampel yang terdiri dari permukaan tembaga datar yang tersusun dengan pulau-pulau kecil tembaga nitrida. . Dengan pulsa laser yang berlangsung sepertriliun detik, para ilmuwan mampu menggairahkan molekul hidrogen dan mendeteksi perubahan status kuantumnya pada suhu kriogenik dan dalam lingkungan vakum ultra tinggi dari instrumen, menghasilkan gambar skala atom dan selang waktu dari contoh.

"Proyek ini mewakili kemajuan baik dalam teknik pengukuran dan pertanyaan ilmiah yang memungkinkan kami untuk mengeksplorasi pendekatan ini," kata rekan penulis Wilson Ho, Profesor Bren fisika & astronomi dan kimia. "Sebuah mikroskop kuantum yang mengandalkan penyelidikan superposisi koheren keadaan dalam sistem dua tingkat jauh lebih sensitif daripada instrumen yang ada yang tidak didasarkan pada prinsip fisika kuantum ini."

Ho mengatakan molekul hidrogen adalah contoh sistem dua tingkat karena orientasinya bergeser antara dua posisi, naik dan turun dan sedikit miring secara horizontal. Melalui pulsa laser, para ilmuwan dapat membujuk sistem untuk beralih dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi dalam mode siklus yang menghasilkan superposisi dari dua keadaan. Durasi osilasi siklik semakin singkat—hanya berlangsung selama puluhan pikodetik—tetapi dengan mengukur "waktu dekoherensi" ini dan periode siklik, para ilmuwan dapat melihat bagaimana molekul hidrogen berinteraksi dengan lingkungannya.

Tim UCI yang bertanggung jawab atas perakitan dan penggunaan mikroskop tunneling pemindaian yang dilengkapi laser terahertz yang digambarkan di sini adalah, dari kiri ke kanan, Dan Bai, UCI Ph.D. mahasiswa fisika & astronomi; Wilson Ho, Profesor Bren fisika & astronomi dan kimia; Yunpeng Xia, Ph.D. mahasiswa fisika & astronomi; dan Likun Wang dan Ph.D. kandidat dalam kimia. Kredit: Steve Zylius / UCI

"Molekul hidrogen menjadi bagian dari mikroskop kuantum dalam arti di mana pun mikroskop dipindai, hidrogen ada di antara ujung dan sampel," kata Ho. "Itu membuat probe yang sangat sensitif, memungkinkan kami untuk melihat variasi hingga 0,1 angstrom. Pada resolusi ini, kami dapat melihat bagaimana distribusi muatan berubah pada sampel."

Jarak antara ujung STM dan sampel hampir tak terbayangkan kecilnya, sekitar enam angstrom atau 0,6 nanometer. STM yang Ho dan timnya rakit dilengkapi untuk mendeteksi arus listrik menit yang mengalir di ruang ini dan menghasilkan pembacaan spektroskopi yang membuktikan keberadaan molekul hidrogen dan elemen sampel. Ho mengatakan percobaan ini merupakan demonstrasi pertama dari spektroskopi yang sensitif secara kimia berdasarkan arus rektifikasi yang diinduksi terahertz melalui satu molekul .

Kemampuan untuk mengkarakterisasi bahan pada tingkat detail ini berdasarkan koherensi kuantum hidrogen dapat sangat berguna dalam sains dan rekayasa katalis, karena fungsinya sering bergantung pada ketidaksempurnaan permukaan pada skala atom tunggal, menurut Ho.

"Selama hidrogen dapat diserap ke suatu bahan, pada prinsipnya, Anda dapat menggunakan hidrogen sebagai sensor untuk mengkarakterisasi bahan itu sendiri melalui pengamatan distribusi medan elektrostatiknya," kata penulis utama studi Likun Wang, mahasiswa pascasarjana UCI dalam fisika & astronomi. .

Bergabung dengan Ho dan Wang dalam proyek ini adalah Yunpeng Xia, mahasiswa pascasarjana UCI dalam bidang fisika & astronomi.

Sumber: Likun Wang et al, Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H 2 molecule in an STM cavity, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abn9220