Физики использовали молекулы водорода в качестве квантового датчика в сканирующем туннельном микроскопе. Новый метод позволяет изучать атомарные структуры со сверхвысоким временным и пространственным разрешением. Исследование опубликовано в Science.
Физики из Калифорнийского университета в Ирвине поместили два связанных атома водорода между серебряным зондом сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и исследуемым образцом, состоящим из плоской медной поверхности с небольшими островками нитрида меди. Импульсами лазера длительностью триллионные доли секунды при криогенных температурах в сверхвысоком вакууме прибора ученые смогли возбудить молекулу водорода и зафиксировать изменения в ее квантовых состояниях. Это позволило СТМ сформировать «неподвижные» снимки образца в атомарном масштабе.
Исследователи отмечают, что молекула водорода является примером двухуровневой системы. Ее ориентация смещается между двумя положениями: вверх и вниз и слегка наклонена по горизонтали. С помощью лазерного импульса ученые заставляют систему циклически переходить из основного состояния в возбужденное, что приводит к суперпозиции двух состояний. Продолжительность циклических колебаний исчезающе мала — всего несколько десятков пикосекунд. Измеряя это «время декогеренции» и циклические периоды, ученые смогли увидеть, как молекула водорода взаимодействует с окружающей средой.
Пространство между зондом СТМ и образцом составляет всего 0,6 нм. Микроскоп, собранный авторами работы, обнаруживает мельчайшие электрические токи, протекающих в этом пространстве, получает спектроскопические показания, подтверждающие присутствие молекулы водорода и элементов образца.
«Молекула водорода стала частью квантового микроскопа в том смысле, что везде, где микроскоп сканировал, водород находился между иглой и образцом, — говорит Уилсон Хо, руководитель исследования. — Это чрезвычайно чувствительный зонд, позволяющий нам видеть отклонения до 0,1 ангстрема. При таком разрешении мы видели, как меняется распределение заряда на образце».
Высокая детализация, основанная на квантовой когерентности водорода, как считают физики, может быть очень полезной в научных исследованиях и при разработке катализаторов, функционирование которых часто зависит от дефектов поверхности в масштабе отдельных атомов.
Читать далее:
За ней охотились столетиями: что нам известно о планете Вулкан рядом с Солнцем
Астрономы нашли планету недалеко от Земли: у нее очень странная орбита
Физики придумали, как спроектировать и напечатать самый вкусный шоколад в мире