Các nhà khoa học biến một phân tử hydro thành một cảm biến lượng tử

Các nhà khoa học biến một phân tử hydro thành một cảm biến lượng tử

    Các nhà khoa học biến một phân tử hydro thành một cảm biến lượng tử

    UCI scientists turn a hydrogen molecule into a quantum sensor

    Trong chân không cực cao của kính hiển vi quét đường hầm, một phân tử hydro được giữ giữa đầu bạc và mẫu. Vụ nổ Femtosecond của một tia laser terahertz kích thích phân tử, biến nó thành một cảm biến lượng tử. Nhà cung cấp hình ảnh: Phòng thí nghiệm Wilson Ho, UCI
    Các nhà vật lý tại Đại học California, Irvine đã chứng minh việc sử dụng phân tử hydro làm cảm biến lượng tử trong kính hiển vi quét đường hầm được trang bị laser terahertz, một kỹ thuật có thể đo các đặc tính hóa học của vật liệu ở độ phân giải không gian và thời gian chưa từng có.

    Kỹ thuật mới này cũng có thể được áp dụng để phân tích các vật liệu hai chiều có tiềm năng đóng một vai trò nào đó trong các hệ thống năng lượng tiên tiến, điện tử và máy tính lượng tử.

    Hôm nay trên tạp chí Khoa học, các nhà nghiên cứu tại Khoa Vật lý & Thiên văn và Khoa Hóa học của UCI đã mô tả cách họ định vị hai nguyên tử liên kết của hydro ở giữa đầu bạc của STM và một mẫu bao gồm một bề mặt đồng phẳng nằm rải rác với các đảo nhỏ đồng nitrua. . Với các xung laser kéo dài phần nghìn tỷ giây, các nhà khoa học có thể kích thích phân tử hydro và phát hiện những thay đổi trong trạng thái lượng tử của nó ở nhiệt độ lạnh và trong môi trường chân không siêu cao của thiết bị, tạo ra hình ảnh thời gian trôi đi ở quy mô nguyên tử mẫu.

    Đồng tác giả Wilson Ho, Giáo sư vật lý & thiên văn và hóa học của Bren cho biết: “Dự án này thể hiện một bước tiến trong cả kỹ thuật đo lường và câu hỏi khoa học mà phương pháp tiếp cận cho phép chúng tôi khám phá. "Một kính hiển vi lượng tử dựa vào việc thăm dò sự chồng chất nhất quán của các trạng thái trong một hệ thống hai cấp độ nhạy hơn nhiều so với các thiết bị hiện có không dựa trên nguyên lý vật lý lượng tử này."

    Ho cho biết phân tử hydro là một ví dụ của hệ thống hai cấp vì định hướng của nó thay đổi giữa hai vị trí, lên xuống và hơi nghiêng theo phương ngang. Thông qua một xung laser, các nhà khoa học có thể điều khiển hệ thống đi từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích theo chu kỳ dẫn đến sự chồng chất của hai trạng thái. Khoảng thời gian của các dao động tuần hoàn biến mất rất ngắn - chỉ kéo dài hàng chục pico giây - nhưng bằng cách đo "thời gian không kết hợp" này và các khoảng thời gian theo chu kỳ, các nhà khoa học có thể thấy cách phân tử hydro tương tác với môi trường của nó.

    Scientists turn a hydrogen molecule into a quantum sensor
    Nhóm UCI chịu trách nhiệm lắp ráp và sử dụng kính hiển vi quét đường hầm được trang bị laser terahertz trong hình dưới đây, từ trái sang phải, Dan Bai, UCI Ph.D. sinh viên vật lý & thiên văn học; Wilson Ho, Bren Giáo sư vật lý & thiên văn và hóa học; Yunpeng Xia, Ph.D. sinh viên vật lý & thiên văn học; và Likun Wang và Ph.D. ứng viên hóa học. Tín dụng: Steve Zylius / UCI
    Ho cho biết: “Phân tử hydro trở thành một phần của kính hiển vi lượng tử theo nghĩa là bất cứ nơi nào kính hiển vi quét được, hydro sẽ ở đó giữa đầu và mẫu”. "Nó tạo ra một đầu dò cực kỳ nhạy cảm, cho phép chúng tôi nhìn thấy các biến thể xuống đến 0,1 angstrom. Ở độ phân giải này, chúng tôi có thể thấy sự phân bố điện tích thay đổi như thế nào trên mẫu."

    Khoảng trống giữa đầu STM và mẫu gần như nhỏ không thể tưởng tượng được, khoảng sáu angstrom hoặc 0,6 nanomet. Máy STM mà Ho và nhóm của ông lắp ráp được trang bị để phát hiện dòng điện nhỏ chạy trong không gian này và tạo ra các kết quả quang phổ chứng minh sự có mặt của phân tử hydro và các nguyên tố mẫu. Ho cho biết thí nghiệm này là minh chứng đầu tiên của phương pháp quang phổ nhạy cảm về mặt hóa học dựa trên dòng chỉnh lưu cảm ứng terahertz qua một phân tử đơn lẻ.

    Theo Ho.

    "Về nguyên tắc, miễn là hydro có thể được hấp thụ vào vật liệu, bạn có thể sử dụng hydro như một cảm biến để mô tả đặc điểm của vật liệu đó thông qua các quan sát về sự phân bố trường tĩnh điện của chúng", Likun Wang, sinh viên tốt nghiệp ngành vật lý & thiên văn học tại UCI, cho biết. .

    Tham gia cùng Ho và Wang trong dự án này là Yunpeng Xia, sinh viên tốt nghiệp UCI về vật lý và thiên văn học.

    Zalo
    Hotline