3D-Darstellung eines Wasserstoffmoleküls. Ackun/iStock
Was wäre, wenn wir ein Wasserstoffmolekül als Quantensensor in einem mit einem Terahertz-Laser ausgestatteten Rastertunnelmikroskop verwenden könnten? Dies würde es uns ermöglichen, die chemischen Eigenschaften von Materialien mit beispielloser zeitlicher und räumlicher Auflösung zu messen.
Diese neue Technik wurde nun von Physikern der University of California, Irvine, entwickeltlaut Aussage am Freitag von der Institution freigegeben.
Ein viel empfindlicheres Quantenmikroskop
„Dieses Projekt stellt einen Fortschritt sowohl in der Messtechnik als auch in der wissenschaftlichen Frage dar, die wir mit dem Ansatz untersuchen konnten“, sagte in der Pressemitteilung der Co-Autor der neuen Studie Wilson Ho, Donald Bren Professor für Physik, Astronomie und Chemie.
„Ein Quantenmikroskop, das sich darauf stützt, die kohärente Überlagerung von Zuständen in einem Zwei-Niveau-System zu untersuchen, ist viel empfindlicher als bestehende Instrumente, die nicht auf diesem quantenphysikalischen Prinzip basieren.“
Die Wissenschaftler konnten eine Überlagerung zweier Zustände durch einen Laserpuls erreichen, der das neu konstruierte System dazu brachte, zyklisch von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand überzugehen. Auch wenn die Dauer der zyklischen Oszillationen nur kurz warZehn Pikosekunden konnten die Wissenschaftler immer noch sehen, wie das Wasserstoffmolekül mit seiner Umgebung interagierte.
Ein mit dem Quantenmikroskop verschmolzenes Wasserstoffmolekül
„Das Wasserstoffmolekül wurde Teil des Quantenmikroskops in dem Sinne, dass überall dort, wo das Mikroskop scannte, der Wasserstoff zwischen der Spitze und der Probe vorhanden war“, sagte Ho. „Es ist eine extrem empfindliche Sonde, die es uns ermöglicht, zu sehenSchwankungen bis hinunter zu 0,1 Angström. Bei dieser Auflösung konnten wir sehen, wie sich die Ladungsverteilungen auf der Probe ändern.“
Ho fügte hinzu, dass dieses Experiment die erste Demonstration einer chemisch empfindlichen Spektroskopie darstellt, die auf Terahertz-induziertem Gleichrichtungsstrom durch ein einzelnes Molekül basiert. Die neue Technik kann nun auf die Analyse von zweidimensionalen Materialien angewendet werden, die in Fortschrittliche Energiesysteme, Elektronik und sogar Quantencomputer.
Diese Studie wurde veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft.
Zusammenfassung:
Ein Rastertunnelmikroskop STM in Kombination mit einem Pump-Probe-Femtosekunden-Terahertz THz-Laser kann Kohärenzmessungen an einzelnen Molekülen ermöglichen. Wir berichten über THz-Pump-Probe-Messungen, die die Quantensensorik auf der Grundlage eines Wasserstoffmoleküls H2 in dem demonstrierenHohlraum, der mit einer STM-Spitze in der Nähe einer Oberfläche erzeugt wurde. Aus dieser Quantenkohärenz wurden räumliche und zeitliche Femtosekundenauflösungen im atomaren Maßstab erhalten. Das H2 wirkt als Zwei-Niveau-System, wobei seine kohärente Überlagerung eine extreme Empfindlichkeit gegenüber dem angelegten elektrischen Feld und dem darunter liegenden aufweistatomare Zusammensetzung der auf einer Cu100-Oberfläche gewachsenen Monoschichtinseln aus Kupfernitrid Cu2N Wir haben zeitaufgelöste Bilder der THz-Gleichrichtung von H2 über Cu2N-Inseln für variable Pump-Probe-Verzögerungszeiten aufgenommen, um die Heterogenität der chemischen Umgebung bei zu visualisierenSub-Angström-Skala.