《科学》：氢分子可“化身”量子传感器，时空分辨率达到前所未有

近日，加州大学欧文分校的物理学家在在配备太赫兹激光的扫描隧道显微镜中，成功将氢分子变为量子传感器。这种技术，可以前所未有的时空分辨率来测量材料的化学性质，从而在先进的能源系统、电子学和量子计算机中发挥作用。

在新研究中，科学家们描述了他们如何将两个结合的氢原子置于 STM 的银尖端和一个由平坦铜表面组成的样品之间。通过持续数万亿分之一秒的激光脉冲，他们能够激发氢分子并检测其在低温和仪器的超高真空环境下的量子态变化，从而呈现原子级的延时图像样品。

科学家解释，氢分子是两能级系统的一个例子，因为它的方向在两个位置之间移动，向上和向下并略微水平倾斜。通过激光脉冲，科学家们可以诱使系统以循环方式从基态变为激发态，从而导致两种状态的叠加。

这种循环振荡的持续时间非常短暂，仅持续数十皮秒（一万亿分之一秒）。但通过测量这种“退相干时间”和循环周期，科学家们能够看到氢分子如何与其环境相互作用。

STM 尖端和样品之间的空间非常小，在大约 6 埃米或 0.6 纳米之间。研究团队组装的 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，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整流电流通过单个分子的化学敏感光谱。

研究作者Likun Wang说：“只要氢可以吸附到材料上，原则上，可以使用氢作为传感器，通过观察材料本身的静电场分布来表征材料本身。”

该研究论文题为“Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H2 molecule in an STM cavity”，已发表在《科学》期刊上。

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