氢分子“化身”量子传感器，精确测量材料化学性质

近日，科学家成功使用氢分子作为量子传感器，实现了目前最高的时空分辨率下测量材料的化学性质。

一个氢分子的3D渲染图，图片来自iStock

前述技术还可应用于分析二维材料，这些材料将在能源系统、电子与量子计算机中起到作用。

此次，美国加州大学尔湾分校(UCI)物理学家在配备太赫兹（即10的12次方赫兹）激光的扫描隧道显微镜(STM)中，成功将氢分子作为量子传感器。相关成果发表在《科学》(Science)。

团队将两个结合的氢原子置于显微镜的银制尖端(Ag Tip)和一个由氮化铜(copper nitride)排列组成、表面平坦的样品之间，通过持续数万亿分之一秒的激光脉冲，激发出氢分子，并在仪器超低温和超高真空环境下检测其量子态变化，获得原子尺度下样品的延时图像。

实验装置示意图，图片来自加州大学尔湾分校(UCI)

“该项目呈现了测量技术以及利用这一方法探索科学问题的进步。”UCI物理、天文和化学教授兼论文共同作者Wilson Ho说道，“依靠探测两能级系统中相干叠加态的量子显微镜，比非基于量子物理学原理的现有仪器更为敏感。”

氢分子是一个典型的两能级系统，因为它的方向可以在两个位置间转换，即上下和略微水平倾斜。通过激光脉冲，科学家们可以诱使系统周期性地从基态进入激发态，并使两种状态叠加。这种循环振荡的持续时间非常短暂，仅持续几十皮秒（1皮秒为一万亿分之一秒），但通过测量这种“退相干时间”和循环周期，科学家能够了解氢分子如何与环境相互作用。

“氢分子已成为量子显微镜的一部分。因为无论显微镜扫描到哪里，氢都处在尖端和样本之间，”Wilson Ho表示，“这是一个非常敏感的探测器，可以使我们看到0.1埃，即0.01纳米以下的变化。在这一分辨率下，我们可以看到样品上的电荷分布如何变化。”

STM显微镜尖端和样品之间仅有约0.6纳米的空间。团队组装的STM设备可以检测在这个空间中流动的微小电流，并产生光谱读数，证明氢分子和样品元素的存在。研究人员表示，该实验首次展示了基于太赫兹感应的整流电流通过单个分子的化学敏感光谱。

加州大学尔湾分校(UCI)研究团队，图片来自加州大学尔湾分校

基于氢的量子相干性，在这一精度水平上表征材料的能力可以在催化科学和工程方面起到较大作用，这些材料的功能通常取决于单原子的表面缺陷。“只要氢可以被吸附到材料上，原则上就能用氢作为传感器，通过观察其静电场分布来表征材料本身。”论文主要作者、UCI物理与天文学研究生Likun Wang说道。

前述项目获得美国能源部基础能源科学办公室(DOE-BES)支持。