I fisici dell'Università della California, Irvine, 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.

Oggi in 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 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 di il campione.

"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 a Bren. "Un microscopio quantistico che si basa sull'analisi 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 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, della durata di poche 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.

"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. "Si tratta di una sonda estremamente sensibile, che ci consente di vedere variazioni fino a 0,1 angstrom. A 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 in base alla 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 .

Ad unirsi a Ho e Wang in questo progetto c'era Yunpeng Xia, studente laureato in fisica e astronomia dell'UCI. + Esplora ulteriormente

ESR-STM su singole molecole e strutture a base molecolare