《科學(xué)》：氫分子可“化身”量子傳感器，時(shí)空分辨率達(dá)到前所未有

近日，加州大學(xué)歐文分校的物理學(xué)家在在配備太赫茲激光的掃描隧道顯微鏡中，成功將氫分子變?yōu)榱孔觽鞲衅鳌＿@種技術(shù)，可以前所未有的時(shí)空分辨率來(lái)測(cè)量材料的化學(xué)性質(zhì)，從而在先進(jìn)的能源系統(tǒng)、電子學(xué)和量子計(jì)算機(jī)中發(fā)揮作用。

在新研究中，科學(xué)家們描述了他們?nèi)绾螌蓚€(gè)結(jié)合的氫原子置于 STM 的銀尖端和一個(gè)由平坦銅表面組成的樣品之間。通過(guò)持續(xù)數(shù)萬(wàn)億分之一秒的激光脈沖，他們能夠激發(fā)氫分子并檢測(cè)其在低溫和儀器的超高真空環(huán)境下的量子態(tài)變化，從而呈現(xiàn)原子級(jí)的延時(shí)圖像樣品。

科學(xué)家解釋?zhuān)瑲浞肿邮莾赡芗?jí)系統(tǒng)的一個(gè)例子，因?yàn)樗姆较蛟趦蓚€(gè)位置之間移動(dòng)，向上和向下并略微水平傾斜。通過(guò)激光脈沖，科學(xué)家們可以誘使系統(tǒng)以循環(huán)方式從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，從而導(dǎo)致兩種狀態(tài)的疊加。

這種循環(huán)振蕩的持續(xù)時(shí)間非常短暫，僅持續(xù)數(shù)十皮秒（一萬(wàn)億分之一秒）。但通過(guò)測(cè)量這種“退相干時(shí)間”和循環(huán)周期，科學(xué)家們能夠看到氫分子如何與其環(huán)境相互作用。

STM 尖端和樣品之間的空間非常小，在大約 6 埃米或 0.6 納米之間。研究團(tuán)隊(duì)組裝的 STM 能夠檢測(cè)在這個(gè)空間中流動(dòng)的微小電流，并產(chǎn)生光譜讀數(shù)，證明氫分子和樣品元素的存在。研究人員表示，該實(shí)驗(yàn)首次展示了基于太赫茲感應(yīng)整流電流通過(guò)單個(gè)分子的化學(xué)敏感光譜。

研究作者Likun Wang說(shuō)：“只要?dú)淇梢晕降讲牧仙?，原則上，可以使用氫作為傳感器，通過(guò)觀察材料本身的靜電場(chǎng)分布來(lái)表征材料本身。”

該研究論文題為“Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H2 molecule in an STM cavity”，已發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

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論文原文：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn9220

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標(biāo)簽： 量子傳感器