加州大學歐文分校（UCI）的物理學家們展示了在配備了太赫茲激光的掃描隧道顯微鏡中使用氫分子作為量子傳感器的技術，這能夠以前所未有的時間和空間分辨率測量材料的化學特性。這項新穎的技術還可以應用於分析二維材料，這些材料有可能在先進的能源系統、電子學和量子計算機中發揮作用。
2022年4月21日，在《科學》雜誌上，UCI物理與天文學系和化學系的研究人員描述了他們如何將兩個結合的氫原子置於STM的銀尖和一個由平坦的銅表面排列的氮化銅小島組成的樣品之間。通過持續時間僅為萬億分之一秒的激光脈衝，科學家們能夠激發氫分子，並在低溫和儀器的超高真空環境下檢測其量子態的變化，呈現出樣品的原子級時空圖像。
“該項目代表了測量技術和該方法允許我們探索的科學問題的進步，”共同作者、Donald Bren物理學與天文學和化學教授Wilson Ho說。”依靠探測兩級系統中狀態的相干疊加的量子顯微鏡比不基於這種量子物理原理的現有儀器要敏感得多。”
Ho說，氫分子是一個兩級系統的例子，因為它的方向在兩個位置之間轉換，即上下和稍微水平傾斜。通過一個激光脈衝，科學家們可以哄騙該系統以循環的方式從基態到激發態，從而形成兩種狀態的疊加。循環振蕩的持續時間非常短暫–僅持續幾十皮秒–但通過測量這個”退相干時間”和循環周期，科學家們能夠看到氫分子是如何與其環境互動的。
負責組裝和使用配備太赫茲激光器的掃描隧道顯微鏡的UCI團隊，從左到右分別是：UCI物理與天文學博士生Bai Dan；Bren物理與天文學和化學教授Wilson Ho；物理與天文學博士生Xia Yunpeng；以及化學博士生Wang likun。
“氫分子成為了量子顯微鏡的一部分，因為無論顯微鏡掃描到哪裡，氫都在尖端和樣品之間，它使一個極其敏感的探針，使我們能夠看到低至0.1埃的變化。在這種分辨率下，我們可以看到樣品上的電荷分佈如何變化。”
STM尖端和樣品之間的空間幾乎小得難以想象，大約6埃或0.6納米。Ho和他的團隊組裝的STM配備了檢測在這個空間流動的微小電流，併產生光譜讀數，證明氫分子和樣品元素的存在。這個實驗代表了基於太赫茲誘導的整流電流通過單個分子的化學敏感光譜學的首次展示。
基於氫的量子相干性在這一層次上表徵材料的能力在催化劑的科學和工程方面可以有很大的用處，因為它們的功能往往取決於單原子規模的表面缺陷。
研究的主要作者、UCI物理與天文學專業的研究生Likun Wang說：”只要氫氣可以被吸附在一種材料上，原則上，你可以用氫氣作為傳感器，通過觀察它們的靜電場分佈來描述材料本身。”