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加州大学欧文分校(University of California Irvine)的物理学家近日在扫描隧道显微镜(Scanning Tunnel Microscope)中将氢分子与太赫兹激光(Terahertz Laser)配合使用制作量子传感器，这项技术在测量材料化学特性时呈现出前所未有的时间和空间分辨率。
图片来源：加州大学欧文分校Wilson Ho实验室。
在扫描隧道显微镜的超高真空中，一个氢分子被固定在银尖和样品之间。太赫兹激光的飞秒脉冲激发分子，使其成为量子传感器。
这种新方法也可用于分析二维材料，在先进的能源系统、电子学和量子计算机中十分有用。
加州大学欧文分校物理、天文和化学系的研究人员描述了科学家如何将两个键合氢原子定位在STM的银尖和一个由平整的铜表面组成的样品之间，该表面上排列着氮化铜的“岛”。这项研究发表在《科学》杂志上。
科学家们能够利用持续数万亿分之一秒的激光脉冲，在低温和极高真空环境下刺激氢分子，并识别其量子态的变化，从而获得样品的原子尺度和延时图像。
这个项目代表了测量技术的进步，并拓展了我们探索科学问题的方法。现有仪器不基于这一量子物理原理，因此依靠探测两能级系统中态相干叠加的量子显微镜要更加灵敏。
——Wilson Ho（研究人员之一）和加州大学欧文分校物理学、天文学和化学系教授Donald Bren
根据何的说法，由于氢分子的取向在上下两个位置之间波动，并且在一定程度上水平倾斜，氢分子是两能级系统的一个例子。科学家们可以利用激光脉冲激励系统从基态循环到激发态，从而实现两种状态的叠加。
循环振荡非常短，仅持续几十皮秒，但科学家们通过测量“退相干时间”和循环周期，能够探测到氢分子与其周围环境的相互作用。
氢分子成为量子显微镜的一部分，因为无论显微镜扫描到哪里，氢都在尖端和样品之间。它是一种非常灵敏的探针，可以让我们看到低至0.1埃的变化。在这个分辨率下，我们可以看到样品上电荷分布的变化。
——Wilson Ho（研究人员之一）和加州大学欧文分校物理学、天文学和化学系教授Donald Bren
STM针尖与样品之间的距离约为6埃或0.6纳米，这几乎是不可能实现的微小距离。
Ho和他们的研究同事建立了一个STM，可以检测该区域的微小电流，并提供光谱数据，证明氢分子和样品成分的存在。根据何教授的说法，这是第一次利用太赫兹诱导的单分子整流电流进行化学精确光谱分析。
根据何教授的说法，利用氢的量子相干性在这种细节层次上分析材料的能力在催化剂的研究和工程中非常有用，因为它们的功能通常取决于单个原子大小的表面缺陷。
只要氢能吸附到材料上，原则上，你就可以用氢作为传感器，通过观察材料的静电场分布来表征材料本身。
——加州大学欧文分校物理学和天文学研究生王立坤（研究第一作者）
加州大学欧文分校物理学和天文学专业的研究生夏云鹏与何和王一起进行了这项实验，该实验由美国能源部基础能源科学办公室资助。
期刊原文：Wang, L., et al. (2022) Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H2 molecule in an STM cavity. Science. doi.org/10.1126/science.abn9220.
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