Natuurkundigen van de Universiteit van Californië, Irvine, hebben het gebruik aangetoond van een waterstofmolecuul als een kwantumsensor in een met terahertz laser uitgeruste scanning tunneling microscoop, een techniek die de chemische eigenschappen van materialen kan meten met ongekende tijd- en ruimtelijke resoluties.

Deze nieuwe techniek kan ook worden toegepast op de analyse van tweedimensionale materialen die een rol kunnen spelen in geavanceerde energiesystemen, elektronica en kwantumcomputers.

Vandaag in Wetenschap , beschrijven de onderzoekers van UCI's Department of Physics &Astronomy en Department of Chemistry hoe ze twee gebonden waterstofatomen plaatsten tussen de zilveren punt van de STM en een monster bestaande uit een plat koperen oppervlak met kleine eilanden van kopernitride. Met pulsen van de laser die biljoensten van een seconde duurden, waren de wetenschappers in staat om het waterstofmolecuul te exciteren en veranderingen in zijn kwantumtoestanden te detecteren bij cryogene temperaturen en in de ultrahoogvacuümomgeving van het instrument, waardoor atomaire, time-lapse-beelden van het voorbeeld.

"Dit project vertegenwoordigt een vooruitgang in zowel de meettechniek als de wetenschappelijke vraag die de benadering ons in staat stelde te onderzoeken", zegt co-auteur Wilson Ho, Bren hoogleraar natuurkunde en astronomie en scheikunde. "Een kwantummicroscoop die vertrouwt op het onderzoeken van de coherente superpositie van toestanden in een systeem met twee niveaus, is veel gevoeliger dan bestaande instrumenten die niet op dit kwantumfysica-principe zijn gebaseerd."

Ho zei dat het waterstofmolecuul een voorbeeld is van een systeem met twee niveaus omdat de oriëntatie verschuift tussen twee posities, op en neer en enigszins horizontaal gekanteld. Door een laserpuls kunnen de wetenschappers het systeem overhalen om op een cyclische manier van een grondtoestand naar een aangeslagen toestand te gaan, wat resulteert in een superpositie van de twee toestanden. De duur van de cyclische oscillaties is van verdwijnende korte duur - slechts tientallen picoseconden - maar door deze "decoherentietijd" en de cyclische perioden te meten, konden de wetenschappers zien hoe het waterstofmolecuul in wisselwerking stond met zijn omgeving.

"Het waterstofmolecuul werd onderdeel van de kwantummicroscoop in die zin dat waar de microscoop ook scande, de waterstof zich tussen de punt en het monster bevond", zei Ho. "Het zorgt voor een extreem gevoelige sonde, waardoor we variaties tot 0,1 Angstrom kunnen zien. Bij deze resolutie konden we zien hoe de ladingsverdelingen op het monster veranderen."

De ruimte tussen de STM-tip en het monster is bijna onvoorstelbaar klein, ongeveer zes angstrom of 0,6 nanometer. De STM die Ho en zijn team hebben samengesteld, is uitgerust om minieme elektrische stroom die in deze ruimte stroomt te detecteren en spectroscopische metingen te produceren die de aanwezigheid van het waterstofmolecuul en de monsterelementen bewijzen. Ho zei dat dit experiment de eerste demonstratie is van een chemisch gevoelige spectroscopie op basis van terahertz-geïnduceerde rectificatiestroom door een enkel molecuul.

Het vermogen om materialen op dit detailniveau te karakteriseren op basis van de kwantumcoherentie van waterstof kan van groot nut zijn in de wetenschap en techniek van katalysatoren, omdat hun functioneren vaak afhangt van oppervlakte-imperfecties op de schaal van afzonderlijke atomen, aldus Ho.

"Zolang waterstof op een materiaal kan worden geadsorbeerd, kun je waterstof in principe als sensor gebruiken om het materiaal zelf te karakteriseren door observaties van hun elektrostatische veldverdeling", zegt hoofdauteur Likun Wang, UCI-afgestudeerde student natuurkunde en astronomie .

Samen met Ho en Wang aan dit project was Yunpeng Xia, UCI-afgestudeerde student natuurkunde en astronomie. + Verder verkennen

ESR-STM op afzonderlijke moleculen en op moleculen gebaseerde structuren