Molecola di idrogeno trasformata in un sensore quantistico – con risoluzioni temporali e spaziali senza precedenti

Nell’ultraelevato vuoto di un microscopio a effetto tunnel, una molecola di idrogeno è trattenuta tra la punta d’argento e il campione. Lampi di femtosecondi di un laser terahertz eccitano la molecola, trasformandola in un sensore quantistico. Credito: Wilson Ho Lab, UCI

La nuova tecnica consente la misurazione precisa delle proprietà elettrostatiche dei materiali.

I fisici dell’Università della California, Irvine (UCI) hanno dimostrato l’uso di una molecola di idrogeno come sensore quantistico in un microscopio a scansione a tunnel dotato di laser terahertz, una tecnica in grado di misurare le proprietà chimiche dei materiali a risoluzioni temporali e spaziali senza precedenti.

Questa nuova tecnica può essere applicata anche all’analisi di materiali bidimensionali che hanno il potenziale per svolgere un ruolo nei sistemi energetici avanzati, nell’elettronica e nei computer quantistici.

Il 21 aprile 2022, nel giornale scienza, i ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia e del Dipartimento di Chimica dell’UCI descrivono come hanno posizionato due atomi di idrogeno legati tra la punta d’argento dell’STM e un campione composto da una superficie piatta di rame allineata con piccole isole di nitruro di rame. Con impulsi del laser della durata di appena trilionesimi di secondo, gli scienziati sono stati in grado di eccitare la molecola di idrogeno e rilevare i cambiamenti nei suoi stati quantistici a temperature criogeniche e nell’ambiente di ultra alto vuoto dello strumento, rendendo immagini su scala atomica e time-lapse del campione.

Wilson Ho

“Questo progetto rappresenta un progresso sia nella tecnica di misurazione che nella questione scientifica che l’approccio ci ha permesso di esplorare”, afferma il coautore Wilson Ho, professore di fisica e astronomia all’UCI Donald Bren. Crediti: Steve Zylius / UCI

“Questo progetto rappresenta un progresso sia nella tecnica di misurazione che nella questione scientifica che l’approccio ci ha permesso di esplorare”, ha affermato il coautore Wilson Ho, professore di fisica, astronomia e chimica Donald Bren. “Un microscopio quantistico che si basa sulla ricerca della sovrapposizione coerente di stati in un sistema a due livelli è molto più sensibile degli strumenti esistenti che non sono basati su questo principio di fisica quantistica”.

Ho ha detto che la molecola di idrogeno è un esempio di un sistema a due livelli perché il suo orientamento si sposta tra due posizioni, su e giù e leggermente inclinata orizzontalmente. Attraverso un impulso laser, gli scienziati possono convincere il sistema a passare da uno stato fondamentale a uno stato eccitato in modo ciclico con conseguente sovrapposizione dei due stati. La durata delle oscillazioni cicliche è incredibilmente breve – durano solo decine di picosecondi – ma misurando questo “tempo di decoerenza” e i periodi ciclici gli scienziati sono stati in grado di vedere come la molecola di idrogeno interagiva con il suo ambiente.

Ricercatori di sensori quantistici di molecole di idrogeno

Il team UCI responsabile dell’assemblaggio e dell’uso del microscopio a tunneling a scansione dotato di laser terahertz raffigurato qui è, da sinistra a destra, Dan Bai, UCI Ph.D. studente in fisica e astronomia; Wilson Ho, Bren Professore di fisica, astronomia e chimica; Yunpeng Xia, Ph.D. studente in fisica e astronomia; e Likun Wang e Ph.D. candidato in chimica. Crediti: Steve Zylius / UCI

“La molecola di idrogeno è diventata parte del microscopio quantistico, nel senso che ovunque il microscopio scansionasse, l’idrogeno era lì tra la punta e il campione”, ha detto Ho. “Rende una sonda estremamente sensibile, consentendoci di vedere variazioni fino a 0,1 angstrom. Con questa risoluzione, abbiamo potuto vedere come cambiano le distribuzioni di carica sul campione”.

Lo spazio tra la punta STM e il campione è quasi inimmaginabilmente piccolo, circa sei angstrom o 0,6 nanometri. L’STM che Ho e il suo team hanno assemblato è attrezzato per rilevare la minima corrente elettrica che scorre in questo spazio e produrre letture spettroscopiche che dimostrano la presenza della molecola di idrogeno e degli elementi del campione. Ho detto che questo esperimento rappresenta la prima dimostrazione di una spettroscopia chimicamente sensibile basata sulla corrente di rettifica indotta da terahertz attraverso una singola molecola.

La capacità di caratterizzare materiali a questo livello di dettaglio sulla base della coerenza quantistica dell’idrogeno può essere di grande utilità nella scienza e nell’ingegneria dei catalizzatori, poiché il loro funzionamento dipende spesso da imperfezioni superficiali alla scala dei singoli atomi, secondo Ho.

“Finché l’idrogeno può essere adsorbito su un materiale, in linea di principio, è possibile utilizzare l’idrogeno come sensore per caratterizzare il materiale stesso attraverso l’osservazione della distribuzione del loro campo elettrostatico”, ha affermato l’autore principale dello studio Likun Wang, studente laureato in fisica e astronomia dell’UCI .

Yunpeng Xia, studente laureato in fisica e astronomia dell’UCI, si è unito a Ho e Wang in questo progetto, sostenuto dall’Ufficio per le scienze energetiche di base del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti.

Riferimento: “Rilevamento quantistico su scala atomica basato sulla coerenza ultraveloce di un H molecola in una cavità STM” di Likun Wang, Yunpeng Xia e W. Ho, 21 aprile 2022, scienza.
DOI: 10.1126/science.abn9220

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