Científicos convierten una molécula de hidrógeno en un sensor cuántico

Físicos de la Universidad de California en Irvine han demostrado el uso de una molécula de hidrógeno como sensor cuántico en un microscopio de túnel de barrido equipado con láser de terahercios, una técnica que puede medir las propiedades químicas de los materiales en resoluciones temporales y espaciales sin precedentes.

Esta nueva técnica también se puede aplicar al análisis de materiales bidimensionales que tienen el potencial de desempeñar un papel en sistemas energéticos avanzados, electrónica y computadoras cuánticas.

Hoy en Ciencia, los investigadores del Departamento de Física y Astronomía y del Departamento de Química de la UCI describen cómo colocaron dos átomos de hidrógeno unidos entre la punta plateada del STM y una muestra compuesta por una superficie plana de cobre con pequeñas islas de nitruro de cobre. Con pulsos del láser que duraban trillonésimas de segundo, los científicos pudieron excitar la molécula de hidrógeno y detectar cambios en sus estados cuánticos a temperaturas criogénicas y en el entorno de vacío ultraalto del instrumento, generando imágenes a escala atómica con lapso de tiempo de la muestra.

«Este proyecto representa un avance tanto en la técnica de medición como en la pregunta científica que el enfoque nos permitió explorar», dijo el coautor Wilson Ho, profesor de física, astronomía y química de Bren. «Un microscopio cuántico que se basa en probar la superposición coherente de estados en un sistema de dos niveles es mucho más sensible que los instrumentos existentes que no se basan en este principio de física cuántica».

Ho dijo que la molécula de hidrógeno es un ejemplo de un sistema de dos niveles porque su orientación cambia entre dos posiciones, arriba y abajo y ligeramente inclinada horizontalmente. A través de un pulso láser, los científicos pueden persuadir al sistema para que pase de un estado fundamental a un estado excitado de manera cíclica, lo que da como resultado una superposición de los dos estados. La duración de las oscilaciones cíclicas es extremadamente breve, ya que dura solo decenas de picosegundos, pero al medir este «tiempo de decoherencia» y los períodos cíclicos, los científicos pudieron ver cómo la molécula de hidrógeno interactuaba con su entorno.

«La molécula de hidrógeno se convirtió en parte del microscopio cuántico en el sentido de que dondequiera que escaneara el microscopio, el hidrógeno estaba allí entre la punta y la muestra», dijo Ho. «Es una sonda extremadamente sensible, lo que nos permite ver variaciones de hasta 0,1 angstrom. Con esta resolución, pudimos ver cómo cambian las distribuciones de carga en la muestra».

El espacio entre la punta STM y la muestra es casi inimaginablemente pequeño, alrededor de seis angstroms o 0,6 nanómetros. El STM que ensamblaron Ho y su equipo está equipado para detectar una corriente eléctrica diminuta que fluye en este espacio y producir lecturas espectroscópicas que prueban la presencia de la molécula de hidrógeno y los elementos de muestra. Ho dijo que este experimento representa la primera demostración de una espectroscopia químicamente sensible basada en la corriente de rectificación inducida por terahercios a través de una sola molécula.

La capacidad de caracterizar materiales con este nivel de detalle en función de la coherencia cuántica del hidrógeno puede ser de gran utilidad en la ciencia y la ingeniería de catalizadores, ya que su funcionamiento a menudo depende de las imperfecciones de la superficie a escala de átomos individuales, según Ho.

«Mientras el hidrógeno se pueda adsorber en un material, en principio, se puede usar hidrógeno como sensor para caracterizar el material en sí mediante observaciones de la distribución de su campo electrostático», dijo el autor principal del estudio, Likun Wang, estudiante graduado en física y astronomía de la UCI. .

Uniéndose a Ho y Wang en este proyecto estaba Yunpeng Xia, estudiante graduado de UCI en física y astronomía.