Físicos da Universidade da Califórnia, Irvine, demonstraram o uso de uma molécula de hidrogênio como um sensor quântico em um microscópio de tunelamento de varredura equipado com laser terahertz, uma técnica que pode medir as propriedades químicas de materiais em resoluções espaciais e temporais sem precedentes.
Essa nova técnica também pode ser aplicada à análise de materiais bidimensionais que têm potencial para desempenhar um papel em sistemas avançados de energia, eletrônica e computadores quânticos.
Hoje na Science, os pesquisadores do Departamento de Física e Astronomia da UCI e do Departamento de Química descrevem como eles posicionaram dois átomos de hidrogênio ligados entre a ponta de prata do STM e uma amostra composta por uma superfície plana de cobre com pequenas ilhas de nitreto de cobre . Com pulsos do laser durando trilionésimos de segundo, os cientistas foram capazes de excitar a molécula de hidrogênio e detectar mudanças em seus estados quânticos em temperaturas criogênicas e no ambiente de vácuo ultra-alto do instrumento, renderizando imagens em escala atômica de lapso de tempo de a amostra.
“Este projeto representa um avanço tanto na técnica de medição quanto na questão científica que a abordagem nos permitiu explorar”, disse o coautor Wilson Ho, professor de física, astronomia e química Bren. “Um microscópio quântico que se baseia em sondar a superposição coerente de estados em um sistema de dois níveis é muito mais sensível do que os instrumentos existentes que não são baseados nesse princípio da física quântica”.
Ho disse que a molécula de hidrogênio é um exemplo de um sistema de dois níveis porque sua orientação muda entre duas posições, para cima e para baixo e levemente inclinada horizontalmente. Através de um pulso de laser, os cientistas podem persuadir o sistema a passar de um estado fundamental para um estado excitado de forma cíclica, resultando em uma superposição dos dois estados. A duração das oscilações cíclicas é extremamente breve – durando meras dezenas de picossegundos – mas medindo esse “tempo de decoerência” e os períodos cíclicos, os cientistas foram capazes de ver como a molécula de hidrogênio estava interagindo com seu ambiente.
“A molécula de hidrogênio tornou-se parte do microscópio quântico no sentido de que, onde quer que o microscópio digitalizasse, o hidrogênio estava entre a ponta e a amostra”, disse Ho. “É uma sonda extremamente sensível, permitindo-nos ver variações de até 0,1 angstrom. Nesta resolução, podemos ver como as distribuições de carga mudam na amostra.”
O espaço entre a ponta STM e a amostra é quase inimaginavelmente pequeno, cerca de seis angstroms ou 0,6 nanômetros. O STM que Ho e sua equipe montaram está equipado para detectar uma corrente elétrica diminuta que flui nesse espaço e produzir leituras espectroscópicas que comprovam a presença da molécula de hidrogênio e dos elementos da amostra. Ho disse que este experimento representa a primeira demonstração de uma espectroscopia quimicamente sensível baseada na corrente de retificação induzida por terahertz através de uma única molécula.
A capacidade de caracterizar materiais neste nível de detalhe com base na coerência quântica do hidrogênio pode ser de grande utilidade na ciência e engenharia de catalisadores, já que seu funcionamento muitas vezes depende de imperfeições de superfície na escala de átomos únicos, de acordo com Ho.
“Desde que o hidrogênio possa ser adsorvido em um material, em princípio, você pode usar o hidrogênio como um sensor para caracterizar o próprio material por meio de observações de sua distribuição de campo eletrostático”, disse o autor principal do estudo, Likun Wang, estudante de pós-graduação em física e astronomia da UCI. .
Juntando-se a Ho e Wang neste projeto estava Yunpeng Xia, estudante de pós-graduação em física e astronomia da UCI.
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