Físicos da Universidade da Califórnia, Irvine, demonstraram o uso de uma molécula de hidrogênio como sensor quântico em um microscópio de tunelamento de varredura (STM) equipado com um laser terahertz. Este método permite medir as propriedades químicas dos materiais com resolução temporal e espacial sem precedentes.
O novo método também pode ser aplicado à análise de materiais bidimensionais que poderiam desempenhar um papel em sistemas avançados de energia, eletrônica e computadores quânticos.
Na revista Science, os pesquisadores descrevem como colocaram dois átomos de hidrogênio ligados entre uma ponta de prata STM e uma amostra que consiste em uma superfície plana de cobre com pequenas ilhas de nitreto de cobre.
Com pulsos de laser com duração de trilionésimos de segundo, os cientistas conseguiram excitar uma molécula de hidrogênio e detectar mudanças em seus estados quânticos em temperaturas criogênicas e no vácuo do dispositivo, visualizando imagens em câmera lenta de uma amostra em escala atômica.
Este projeto representa um avanço tanto na técnica de medição quanto nas questões científicas que a abordagem nos permitiu explorar”, disse o coautor Professor Wilson Ho. Um microscópio quântico baseado no estudo de uma superposição coerente de estados em um sistema de dois níveis é muito mais sensível do que os instrumentos existentes não baseados nesse princípio da física quântica.
A molécula de hidrogênio é um exemplo de sistema de dois níveis porque sua orientação muda entre duas posições: para cima e para baixo, e é levemente inclinada horizontalmente. Com um pulso de laser, os cientistas podem fazer com que um sistema passe de um estado fundamental para um estado excitado, resultando em uma superposição dos dois estados.
A duração das oscilações cíclicas é muito curta - apenas algumas dezenas de picossegundos - mas medindo esse tempo de decoerência e períodos cíclicos, os cientistas conseguiram ver como a molécula de hidrogênio interage com o ambiente.
A molécula de hidrogênio tornou-se parte do microscópio quântico no sentido de que onde quer que o microscópio olhasse, o hidrogênio estava entre a agulha e a amostra, disse Wilson Ho.
Esta é uma sonda extremamente sensível, permitindo-nos ver mudanças até 0,1 angstroms. Com esta resolução, pudemos ver como a distribuição de carga na amostra muda.
O espaço entre a ponta STM e a amostra é extremamente pequeno, cerca de seis angstroms ou 0,6 nanômetros. O STM montado pelos cientistas está equipado para detectar as minúsculas correntes elétricas que fluem neste espaço e produzir leituras espectroscópicas confirmando a presença de uma molécula de hidrogênio e elementos da amostra.
Os pesquisadores dizem que o experimento representa a primeira demonstração de espectroscopia quimicamente sensível com base na retificação de molécula única induzida pela corrente terahertz.
A capacidade de caracterizar materiais neste nível de detalhe com base na coerência quântica do hidrogênio pode ser muito útil na ciência e no projeto de catalisadores, uma vez que seu desempenho geralmente depende de defeitos de superfície na escala de átomos individuais.
Como o hidrogênio pode ser adsorvido em um material, em princípio você pode usar o hidrogênio como um sensor para caracterizar o próprio material observando sua distribuição de campo eletrostático, dizem os cientistas.
O estudo foi publicado na revista Science.
2022-04-24 08:50:27
Autor: Vitalii Babkin