在扫描隧道显微镜的超高真空环境下，氢分子被固定在银尖端和样本之间。利用太赫兹激光器（terahertz laser）发出飞秒脉冲（femtosecond bursts），将该氢分子转变为一个量子传感器。（图片来源：Wilson Ho Lab,UCI）
加利福尼亚大学尔湾分校（University of California，Irvine）的物理学家们在配备太赫兹激光的扫描隧道显微镜中，成功使用了氢分子作为量子传感器。这项技术能以前所未有的时间和空间分辨率测量材料的化学性质。
这项新技术还可以应用于分析二维材料，这些材料会被用于先进的能源系统、电子和量子计算机。
扫描隧道显微镜（图片来源：维基百科）
近日，加利福尼亚大学尔湾分校（University of California，Irvine）物理与天文系的研究人员发表在《科学》（Science）杂志上的文章描述了他们如何将两个结合的氢原子置于扫描隧道显微镜（STM）的银尖端和一个由平坦铜表面组成的样品之间。通过持续数万亿分之一秒的激光脉冲，他们能够激发氢分子并检测其在低温和仪器的超高真空环境下的量子态变化，从而呈现原子级的延时图像样品。
“该项目呈现了测量技术以及利用这一方法探索科学问题的进步。”UCI物理、天文和化学教授兼论文共同作者Wilson Ho说道，“依靠探测两能级系统中相干叠加态的量子显微镜，比非基于量子物理学原理的现有仪器更为敏感。”
（图片来源：unsplash）
Ho说，氢分子是一个典型的两能级系统，因为它的方向可以在两个位置间转换，即上下和略微水平倾斜。通过激光脉冲，科学家们可以诱使系统周期性地从基态进入激发态，并使两种状态叠加。这种循环振荡的持续时间非常短暂，仅持续几十皮秒（1皮秒为一万亿分之一秒），但通过测量这种“退相干时间”和循环周期，科学家能够了解氢分子如何与环境相互作用。
“氢分子已成为量子显微镜的一部分。因为无论显微镜扫描到哪里，氢都处在尖端和样本之间，”Wilson Ho表示，“这是一个非常敏感的探测器，有了它，我们可以看到低至0.1埃的变化。在这一分辨率下，我们可以看到样品上的电荷分布是如何变化的。
（图片来源：unsplash）
STM显微镜尖端和样品之间仅有约0.6纳米的空间。Ho和他的团队组装的STM设备可以检测在这个空间中流动的微小电流，并产生光谱读数，证明氢分子和样品元素的存在。研究人员表示，该实验首次展示了基于太赫兹感应的整流电流通过单个分子的化学敏感光谱。
Ho表示，基于氢的量子相干性，在这一精度水平上表征材料的能力可以在催化科学和工程方面起到较大作用，这些材料的功能通常取决于单原子的表面缺陷。
“只要氢能吸附到材料上，原则上就可以用氢作为传感器，通过观察材料的静电场分布来表征材料本身，”该研究的主要作者、UCI物理学和天文学研究生Likun Wang说。UCI物理学和天文学研究生Yunpeng Xia与Ho和Wang一起参与了这个项目。
翻译：赵书轩
审校：张和持
引进来源：加利福尼亚大学尔湾分校（University of California，Irvine）
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