University of California, Irvine의 물리학자들은 테라헤르츠 레이저가 장착된 주사 터널링 현미경(STM)에서 양자 센서로 수소 분자의 사용을 시연했습니다. 이 방법을 사용하면 전례 없는 시간 및 공간 분해능으로 재료의 화학적 특성을 측정할 수 있습니다.
새로운 방법은 첨단 에너지 시스템, 전자 및 양자 컴퓨터에서 잠재적으로 역할을 할 수 있는 2차원 물질의 분석에도 적용될 수 있습니다.
Science 저널에서 연구원들은 STM 은 팁과 질화구리의 작은 섬이 있는 평평한 구리 표면으로 구성된 샘플 사이에 두 개의 결합된 수소 원자를 배치하는 방법을 설명합니다.
1조분의 1초 동안 지속되는 레이저 펄스로 과학자들은 수소 분자를 여기시키고 극저온과 장치의 진공 상태에서 양자 상태의 변화를 감지하여 원자 규모 샘플의 슬로우 모션 이미지를 시각화할 수 있었습니다.
이 프로젝트는 측정 기술과 접근 방식을 통해 탐구할 수 있는 과학적 질문 모두의 발전을 나타냅니다.”라고 공동 저자인 Wilson Ho 교수가 말했습니다. 2-레벨 시스템에서 일관된 상태 중첩에 대한 연구를 기반으로 하는 양자 현미경은 이러한 양자 물리학 원리를 기반으로 하지 않는 기존 장비보다 훨씬 더 민감합니다.
수소 분자는 방향이 두 위치(위쪽과 아래쪽) 사이에서 이동하고 수평으로 약간 기울어지기 때문에 2단계 시스템의 예입니다. 과학자들은 레이저 펄스를 사용하여 시스템이 기저 상태에서 여기 상태로 순환하도록 하여 두 상태가 중첩되도록 할 수 있습니다.
순환 진동의 지속 시간은 수십 피코초로 매우 짧지만 이 결맞음 시간과 순환 주기를 측정함으로써 과학자들은 수소 분자가 환경과 상호 작용하는 방식을 확인할 수 있었습니다.
윌슨 호는 수소 분자는 현미경이 어디를 바라봐도 수소가 바늘과 샘플 사이에 있다는 점에서 양자 현미경의 일부가 되었다고 말했다.
이것은 매우 민감한 프로브로 0.1옹스트롬까지의 변화를 볼 수 있습니다. 이 분해능을 통해 샘플의 전하 분포가 어떻게 변하는지 확인할 수 있습니다.
STM 팁과 샘플 사이의 공간은 약 6옹스트롬 또는 0.6나노미터로 매우 작습니다. 과학자들이 조립한 STM은 이 공간에 흐르는 미세한 전류를 감지하고 수소 분자와 샘플 요소의 존재를 확인하는 분광 판독값을 생성하는 장비를 갖추고 있습니다.
연구원들은 이 실험이 테라헤르츠 전류 유도 단일 분자 정류에 기반한 화학적으로 민감한 분광학의 첫 번째 시연이라고 말했습니다.
수소의 양자 일관성을 기반으로 하는 이러한 세부 수준에서 물질을 특성화하는 능력은 과학 및 촉매 설계에서 매우 유용할 수 있습니다. 그 성능은 종종 개별 원자 규모의 표면 결함에 의존하기 때문입니다.
수소는 물질에 흡착될 수 있기 때문에 원칙적으로 수소를 센서로 사용하여 정전기장 분포를 관찰함으로써 물질 자체를 특성화할 수 있다고 과학자들은 말합니다.
이번 연구는 사이언스 저널에 게재됐다.
2022-04-24 08:50:27
작가: Vitalii Babkin