Zespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine przekształcił cząsteczkę wodoru w czujnik kwantowy, który pozwala na pomiar właściwości materiałów z niespotykaną dotąd precyzją. Nową technikę można także zastosować do analizy materiałów dwuwymiarowych w systemach energetycznych i elektronice przyszłości.
Projekt ten stanowi postęp zarówno w technice pomiarowej, jak i w kwestii naukowej, którą pozwolił nam zbadać. Mikroskop kwantowy, którego działanie opiera się na badaniu koherentnej superpozycji stanów w układzie dwupoziomowym, jest znacznie czulszy niż istniejące instrumenty, które nie są oparte na tej zasadzie fizyki kwantowej.prof. Wilson Ho, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine
Fizycy umieścili dwa atomy wodoru pomiędzy srebrną końcówką STM a płytką, na której znajdują się małe wysepki azotku miedzi. Dzięki impulsom lasera trwającym bilionowe części sekundy udało się wzbudzić cząsteczkę wodoru i wykryć zmiany jej stanów kwantowych w temperaturach kriogenicznych.
Czytaj też: Czujnik kwantowy dokładny jak nigdy wcześniej. Działa na granicy mechaniki kwantowej
Cząsteczka wodoru to przykład tzw. układu dwupoziomowego, gdyż jej orientacja zmienia się między dwoma położeniami. Wykorzystując impuls laserowy, udało się zmusić układ do cyklicznych zmian stanu podstawowego we wzbudzony. Czas trwania tych zmian był minimalny i trwał zaledwie kilkadziesiąt pikosekund. To wystarczyło, by naukowcy byli w stanie je zmierzyć.
Cząsteczka wodoru stała się częścią mikroskopu kwantowego w tym sensie, że wszędzie tam, gdzie mikroskop skanował, wodór znajdował się pomiędzy końcówką a próbką. Jest to niezwykle czuła sonda, która pozwala nam obserwować zmiany z dokładnością do 0,1 angstremów. Przy takiej rozdzielczości mogliśmy zobaczyć, jak zmienia się rozkład ładunków na próbce.prof. Wilson Ho
Przestrzeń, o której mowa, jest niewyobrażalnie mała – ma ok. 6 angstremów, czyli 0,6 nm. Przeprowadzony eksperyment jest pierwszym pokazem chemicznej spektroskopii opartej na prądzie przepływającym przez pojedynczą cząsteczkę. Możliwości charakteryzowania materiałów na tym poziomie szczegółowości, mogą wprowadzić współczesną fizykę na zupełnie nowe tory.
