科学家将氢分子变成量子传感器作者：加利福尼亚大学欧文分校 的 Brian Bell在扫描隧道显微镜的超高真空中，一个氢分子被夹在银尖端和样品之间。太赫兹激光的飞秒脉冲激发分子，将其变成量子传感器。图片来源：UCI 的 Wilson Ho 实验室加州大学欧文分校的物理学家已经展示了在配备太赫兹激光的扫描隧道显微镜中使用氢分子作为量子传感器，这种技术可以以前所未有的时间和空间分辨率测量材料的化学性质。这种新技术也可以应用于二维材料的分析，这些材料有可能在先进的能源系统、电子学和量子计算机中发挥作用。

今天在《科学》杂志上，UCI 物理与天文学系和化学系的研究人员描述了他们如何将两个结合的氢原子置于 STM 的银尖端和一个由平坦铜表面组成的样品之间，该铜表面排列着氮化铜的小岛. 通过持续数万亿分之一秒的激光脉冲，科学家们能够激发氢分子并检测其在低温和仪器的超高真空环境下的量子态变化，从而呈现原子级的延时图像样品。

“这个项目代表了测量技术和该方法允许我们探索的科学问题的进步，”共同作者，布伦物理、天文学和化学教授威尔逊何说。“依赖于探测两能级系统中状态的相干叠加的量子显微镜比现有的不基于这种量子物理原理的仪器灵敏得多。”

何说，氢分子是两能级系统的一个例子，因为它的方向在两个位置之间移动，向上和向下并略微水平倾斜。通过激光脉冲，科学家们可以诱使系统以循环方式从基态变为激发态，从而导致两种状态的叠加。循环振荡的持续时间非常短暂——仅持续数十皮秒——但通过测量这种“退相干时间”和循环周期，科学家们能够看到氢分子如何与其环境相互作用。图为负责太赫兹激光扫描隧道显微镜的组装和使用的UCI团队，从左到右分别是UCI博士白丹。物理学和天文学专业的学生；Wilson Ho，布伦物理学、天文学和化学教授；夏云鹏，博士 物理学和天文学专业的学生；和王丽坤博士。化学候选人。图片来源：Steve Zylius / UCI“氢分子成为了量子显微镜的一部分，因为无论显微镜扫描到哪里，氢都存在于尖端和样品之间，”何说。“它是一个极其敏感的探针，使我们能够看到低至 0.1 埃的变化。在这个分辨率下，我们可以看到样品上的电荷分布是如何变化的。”STM 尖端和样品之间的空间几乎是难以想象的小，大约 6 埃或 0.6 纳米。Ho 和他的团队组装的 STM 能够检测在这个空间中流动的微小电流，并产生光谱读数，证明氢分子和样品元素的存在。何说，该实验首次展示了基于太赫兹感应整流电流通过单个分子的化学敏感光谱。

Ho表示，基于氢的量子相干性在这种细节水平上表征材料的能力在催化剂的科学和工程中非常有用，因为它们的功能通常取决于单个原子尺度的表面缺陷。

“只要氢可以吸附到材料上，原则上，你可以使用氢作为传感器，通过观察材料本身的静电场分布来表征材料本身，”该研究的主要作者、UCI 物理学和天文学研究生 Likun Wang 说.

与何和王一起参与这个项目的是 UCI 物理和天文学研究生夏云鹏。