Des physiciens de l'Université de Californie à Irvine ont démontré l'utilisation d'une molécule d'hydrogène comme capteur quantique dans un microscope à effet tunnel (STM) équipé d'un laser térahertz. Cette méthode vous permet de mesurer les propriétés chimiques des matériaux avec une résolution temporelle et spatiale sans précédent.
La nouvelle méthode peut également être appliquée à l'analyse de matériaux bidimensionnels qui pourraient potentiellement jouer un rôle dans les systèmes énergétiques avancés, l'électronique et les ordinateurs quantiques.
Dans la revue Science, les chercheurs décrivent comment ils ont placé deux atomes d'hydrogène liés entre une pointe d'argent STM et un échantillon constitué d'une surface plate en cuivre avec de petits îlots de nitrure de cuivre.
Avec des impulsions laser d'une durée de plusieurs billionièmes de seconde, les scientifiques ont pu exciter une molécule d'hydrogène et détecter des changements dans ses états quantiques à des températures cryogéniques et dans le vide de l'appareil, visualisant des images au ralenti d'un échantillon à l'échelle atomique.
Ce projet représente une avancée à la fois dans la technique de mesure et dans les questions scientifiques que l'approche nous a permis d'explorer », a déclaré le co-auteur, le professeur Wilson Ho. Un microscope quantique basé sur l'étude d'une superposition cohérente d'états dans un système à deux niveaux est beaucoup plus sensible que les instruments existants non basés sur ce principe de la physique quantique.
La molécule d'hydrogène est un exemple de système à deux niveaux car son orientation se déplace entre deux positions : vers le haut et vers le bas, et elle est légèrement inclinée horizontalement. Avec une impulsion laser, les scientifiques peuvent faire passer un système d'un état fondamental à un état excité, ce qui entraîne une superposition des deux états.
La durée des oscillations cycliques est extrêmement courte - seulement quelques dizaines de picosecondes - mais en mesurant ce temps de décohérence et ces périodes cycliques, les scientifiques ont pu voir comment la molécule d'hydrogène interagit avec l'environnement.
La molécule d'hydrogène est devenue une partie du microscope quantique en ce sens que partout où le microscope regardait, l'hydrogène se trouvait entre l'aiguille et l'échantillon, a déclaré Wilson Ho.
Il s'agit d'une sonde extrêmement sensible, nous permettant de voir des changements jusqu'à 0,1 angströms. Avec cette résolution, nous avons pu voir comment la distribution de charge sur l'échantillon change.
L'espace entre la pointe du STM et l'échantillon est extrêmement petit, environ six angströms ou 0,6 nanomètre. Le STM assemblé par les scientifiques est équipé pour détecter les minuscules courants électriques circulant dans cet espace et produire des lectures spectroscopiques confirmant la présence d'une molécule d'hydrogène et d'éléments d'échantillon.
Les chercheurs affirment que l'expérience représente la première démonstration d'une spectroscopie chimiquement sensible basée sur la rectification d'une seule molécule induite par un courant térahertz.
La capacité de caractériser les matériaux à ce niveau de détail basé sur la cohérence quantique de l'hydrogène peut être très utile en science et dans la conception de catalyseurs, puisque leurs performances dépendent souvent des défauts de surface à l'échelle des atomes individuels.
Parce que l'hydrogène peut être adsorbé sur un matériau, en principe, vous pouvez utiliser l'hydrogène comme capteur pour caractériser le matériau lui-même en observant sa distribution de champ électrostatique, disent les scientifiques.
L'étude a été publiée dans la revue Science.
2022-04-24 08:50:27
Auteur: Vitalii Babkin