カリフォルニア大学アーバイン校の物理学者は、テラヘルツレーザーを備えた走査型トンネル顕微鏡（STM）の量子センサーとして水素分子を使用することを実証しました。この方法により、前例のない時間的および空間的分解能で材料の化学的性質を測定することができます。
この新しい方法は、高度なエネルギーシステム、電子機器、量子コンピューターで役割を果たす可能性のある2次元材料の分析にも適用できます。
ジャーナルScienceで、研究者は、STM銀チップと窒化銅の小さな島を持つ平らな銅表面からなるサンプルの間に2つの結合水素原子をどのように配置したかを説明しています。
数兆分の1秒続くレーザーパルスにより、科学者は水素分子を励起し、極低温およびデバイスの真空中での量子状態の変化を検出し、原子スケールのサンプルのスローモーション画像を視覚化することができました。
このプロジェクトは、測定技術と、このアプローチによって私たちが探求することを可能にした科学的質問の両方における進歩を表しています」と共著者のウィルソン・ホー教授は述べています。 2レベルシステムにおける状態のコヒーレントな重ね合わせの研究に基づく量子顕微鏡は、この量子物理学の原理に基づかない既存の機器よりもはるかに感度が高くなります。
水素分子は、その向きが上下の2つの位置の間でシフトし、水平方向にわずかに傾いているため、2レベルシステムの例です。科学者はレーザーパルスを使用して、システムを基底状態から励起状態に循環させ、2つの状態を重ね合わせることができます。
周期的な振動の持続時間は、わずか数十ピコ秒と非常に短いですが、このデコヒーレンス時間と周期的な周期を測定することにより、科学者は水素分子が環境とどのように相互作用するかを確認できました。
水素分子は、顕微鏡がどこを見ても、水素が針とサンプルの間にあるという意味で、量子顕微鏡の一部になった、とウィルソン・ホー氏は語った。
これは非常に感度の高いプローブであり、0.1オングストロームまでの変化を確認できます。この解像度で、サンプルの電荷分布がどのように変化するかを確認できました。
STMチップとサンプルの間のスペースは非常に小さく、約6オングストロームまたは0.6ナノメートルです。科学者によって組み立てられたSTMは、この空間を流れる微小電流を検出し、水素分子とサンプル元素の存在を確認する分光測定値を生成するために装備されています。
研究者らは、この実験は、テラヘルツ電流によって誘発される単一分子整流に基づく化学的に敏感な分光法の最初の実証であると述べています。
水素の量子コヒーレンスに基づいてこの詳細レベルで材料を特性評価する機能は、その性能が個々の原子のスケールの表面欠陥に依存することが多いため、科学や触媒設計で非常に役立ちます。
水素は材料に吸着される可能性があるため、原則として、水素をセンサーとして使用して、その静電界分布を観察することにより、材料自体を特徴付けることができます。
この研究はジャーナルScienceに掲載されました。
2022-04-24 08:50:27
著者: Vitalii Babkin