과학자들은 수소 분자를 양자 센서로 전환합니다.

과학자들은 수소 분자를 양자 센서로 전환합니다. 재료의 정전기 특성을 정밀하게 측정할 수 있는 새로운 기술 날짜: 2022년 4월 22일 원천: 캘리포니아 대학교 - 어바인 요약: 과학자들은 펨토초 테라헤르츠 레이저가 장착된 주사 터널링 현미경을 사용하여 두 원자 수소 분자의 양자 특성을 활용하여 대상 샘플의 정전기장의 변화를 관찰하고 수소 분자를 양자 센서로 전환합니다. 캘리포니아 대학(University of California, Irvine)의 물리학자들은 테라헤르츠 레이저가 장착된 주사 터널링 현미경에서 양자 센서로 수소 분자를 사용하는 것을 시연했습니다. 이 새로운 기술은 첨단 에너지 시스템, 전자 및 양자 컴퓨터에서 역할을 할 잠재력이 있는 2차원 물질의 분석에도 적용될 수 있습니다. 오늘날 Science 에서 UCI의 물리천문학부와 화학부의 연구원들은 STM의 은 팁과 작은 질화구리 섬으로 배열된 평평한 구리 표면으로 구성된 샘플 사이에 두 개의 결합된 수소 원자를 배치하는 방법을 설명합니다. . 1조분의 1초 동안 지속되는 레이저 펄스로 과학자들은 극저온과 기기의 초고진공 환경에서 수소 분자를 여기시키고 양자 상태의 변화를 감지하여 원자 규모의 시간 경과 이미지를 렌더링할 수 있었습니다. 샘플. 공동 저자인 Bren 물리학 및 천문학 및 화학 교수인 Wilson Ho는 "이 프로젝트는 측정 기술과 과학적 질문 모두에서 우리가 탐구할 수 있는 접근 방식의 발전을 나타냅니다."라고 말했습니다. "2-레벨 시스템에서 일관된 상태 중첩을 조사하는 것에 의존하는 양자 현미경은 이 양자 물리학 원리를 기반으로 하지 않는 기존 장비보다 훨씬 더 민감합니다." Ho는 수소 분자가 2단계 시스템의 한 예라고 말했습니다. 그 이유는 방향이 두 위치, 즉 위아래로 그리고 약간 수평으로 기울어져 있기 때문입니다. 과학자들은 레이저 펄스를 통해 시스템이 두 상태의 중첩을 초래하는 주기적인 방식으로 기저 상태에서 여기 상태로 이동하도록 유도할 수 있습니다. 주기적인 진동의 지속 시간은 수십 피코초에 불과할 정도로 매우 짧습니다. 그러나 이 "분리 시간"과 주기적인 주기를 측정함으로써 과학자들은 수소 분자가 주변 환경과 어떻게 상호작용하는지 알 수 있었습니다. Ho는 "수소 분자는 현미경이 스캔하는 곳마다 팁과 샘플 사이에 수소가 있다는 점에서 양자 현미경의 일부가 되었습니다."라고 말했습니다. "매우 민감한 프로브를 만들어 0.1 옹스트롬까지의 변화를 볼 수 있습니다. 이 분해능에서 우리는 샘플에서 전하 분포가 어떻게 변하는지 볼 수 있습니다." STM 팁과 샘플 사이의 공간은 약 6옹스트롬 또는 0.6나노미터로 거의 상상할 수 없을 정도로 작습니다. Ho와 그의 팀이 조립한 STM은 이 공간에 흐르는 미세한 전류를 감지하고 수소 분자와 샘플 요소의 존재를 증명하는 분광 판독값을 생성하는 장비를 갖추고 있습니다. Ho는 이 실험이 단일 분자를 통한 테라헤르츠 유도 정류 전류를 기반으로 하는 화학적으로 민감한 분광법의 첫 번째 시연이라고 말했습니다. Ho에 따르면 수소의 양자 일관성을 기반으로 하는 이러한 세부 수준에서 물질을 특성화하는 능력은 촉매의 과학 및 공학에 큰 도움이 될 수 있습니다. 그 기능은 종종 단일 원자 규모의 표면 불완전성에 의존하기 때문입니다. 연구의 주저자인 UCI 물리학 및 천문학 대학원생인 Likun Wang은 "수소가 물질에 흡착될 수 있는 한 원칙적으로 수소를 센서로 사용하여 정전기장 분포의 관찰을 통해 물질 자체를 특성화할 수 있습니다"라고 말했습니다. . 미국 에너지부 기초 에너지 과학국의 지원을 받은 이 프로젝트에 Ho와 Wang과 함께 UCI 물리학 및 천문학 대학원생인 Yunpeng Xia가 참여했습니다.