材料人 - Science：化「氣」為劍！氫氣量子傳感器問世！－鑽石舞台

一、【引言】

量子計算和量子傳感已經被證明比經典計算和傳感方式強大得多。量子計算追求的是較長的退相干時間。與量子計算不同，量子傳感則是利用了量子系統對外部環境的高靈敏度，利用的是量子系統的弱點。

掃描隧道顯微鏡（STM）能夠提供原子級操控及成像能力。科學家通過對STM尖端進行分子量子修飾可以實現表面電勢的測試。通過使用單磁原子對STM尖端進行修飾，可以獲得電子自旋共振傳感能力，實現對原子/分子自旋產生的局域磁場的探測。將掃描隧道顯微鏡和超快飛秒激光結合可以觀測分子運動狀態（要知道，只有具有足夠快的時間分辨率才能觀察到分子運動的過程）。以上研究展示了STM在功能擴展上的優異的特性，然而，截至目前，想要同時實現飛秒級時間分辨率和原子級空間分辨率的STM成像仍然是個巨大挑戰。

二、【成果掠影】

針對上述問題，2022年4月21日，Science刊發了來自加州大學歐文分校的W. Ho教授的最新研究，研究者創造性地在將STM與飛秒太赫茲激光結合，將氫氣分子激發為量子傳感器，實現了前所未有的飛秒級時間分辨率和原子級空間分辨率成像。論文題目為「Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H2molecule in an STM cavity」。

這篇論文上線3天，就被國際科技媒體報道了多達16次，其Altmetric指數已達128，受到了不小的關注。

三、【數據概覽】

圖1在掃描隧道顯微鏡的超高真空中，一個氫分子被夾在銀尖端和樣品之間。太赫茲激光的飛秒脈衝激發分子，將H2變成量子傳感器。圖片來源：UCI的Wilson Ho實驗室

圖2 (A) THz-STM實驗裝置示意圖,τ為激發和探測太赫茲光源直接的時間差。(B)STM腔中的H2分子的非對稱雙井勢。(c) Cu2N島的恆流形貌圖像大小。(D)放大Cu2N島的地形圖像。

圖3 Cu2N表面太赫茲整流成像，同時具有皮秒級時間分辨和原子級的空間分辨

四、【成果啟示】

氫氣分子是一種經典的兩能級系統，作者使用太赫茲激光脈衝使氫氣分子從基態變為激發態，實現兩種量子狀態的疊加。此時，氫分子成為STM的一部分，無論顯微鏡掃描到哪裡，氫都位於尖端和樣品之間，這樣就可以實時看到樣品上的電荷分布。此外，可以在飛秒激光的幫助下檢測到氫分子量子態的變化，通過測量循環振盪的持續時間和退相干時間可以研究氫分子與探測樣品環境的相互作用。這種基於氫氣的量子相干性的新型STM量子傳感系統將在催化劑工程科學中具有重要的應用前景。

文獻鏈接：Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H2molecule in an STM cavity.Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abn9220.

本文由金也供稿。

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