加州大学欧文分校(UCI)的物理学家演示了在配备太赫兹激光的扫描隧道显微镜(STM)中利用氢分子作为量子传感器的技术，这种技术可以以前所未有的时间和空间分辨率测量材料的化学性质。这种新技术也可以应用于二维材料的分析，这些材料可能会在先进的能源系统、电子学和量子计算机中发挥重要作用。

在最近一期的《科学》杂志上，UCI的研究人员描述了他们如何将由两个氢原子结合成的分子置于STM的银尖端和一个由平坦铜表面组成的样品之间，该铜表面排列着岛状结构的氮化铜。通过持续数万亿分之一秒的激光脉冲，科学家们能够激发氢分子，并检测了其在低温和仪器超高真空环境下的量子态的变化，从而实现可绘制出样品在原子尺度上的延时图像。

论文共同作者，该大学的物理学、天文学和化学教授Wilson Ho说：“这个项目代表了测量技术的进步，该方法能允许我们更进一步的探索科学问题。这种量子显微镜依赖于探测两能级系统中状态的相干叠加，它比现有的不基于这种量子物理原理的仪器要灵敏得多。”

Ho表示，氢分子是两能级系统的一个例子，因为它的方向会在两个位置之间变化，向上和向下，并略有水平倾斜。通过激光脉冲，科学家们可以诱使系统周期性地从基态变为激发态，从而导致了两种状态的叠加。周期性振荡的持续时间非常短——仅持续数十皮秒——但通过测量这种“退相干时间”和循环周期，科学家们能够看到氢分子如何与其环境相互作用。

Ho说：“氢分子成为了量子显微镜的一部分，因为无论显微镜扫描到哪里，氢都会存在于尖端和样品之间。它是一个极其敏感的探针，使我们能够看到低至0.1埃米的变化。在这种分辨率下，我们可以看到样品上的电荷分布是如何变化的。”

STM尖端和样品之间的空间间隔几乎是难以想象的小，大约只有6埃米(或0.6纳米)。Ho和他的团队组装的STM能够检测在这个空间中流动的微小电流，并产生光谱读数，能证明氢分子和样品元素的存在。Ho说，该实验代表了基于太赫兹感应整流电流通过单个分子的化学敏感光谱的首次技术演示。

Ho表示，基于氢的量子相干性在这种精度水平上表征材料的能力在催化剂的科学和工程中非常有用，因为它们的功能通常取决于单个原子的表面缺陷。

该研究的主要作者、加州大学欧文分校物理学和天文学研究生Likun Wang说：“只要氢可以吸附到材料上，原则上，你可以使用氢来作为传感器，可以通过观察它们的静电场分布来表征材料本身。”（编译:Qtech）