2022年4月21日，在《科學(xué)》雜志上，UCI物理與天文學(xué)系和化學(xué)系的研究人員描述了他們?nèi)绾螌蓚€(gè)結(jié)合的氫原子置于STM的銀尖和一個(gè)由平坦的銅表面排列的氮化銅小島組成的樣品之間。通過持續(xù)時(shí)間僅為萬億分之一秒的激光脈沖，科學(xué)家們能夠激發(fā)氫分子，并在低溫和儀器的超高真空環(huán)境下檢測(cè)其量子態(tài)的變化，呈現(xiàn)出樣品的原子級(jí)時(shí)空?qǐng)D像。

"該項(xiàng)目代表了測(cè)量技術(shù)和該方法允許我們探索的科學(xué)問題的進(jìn)步，"共同作者、Donald Bren物理學(xué)與天文學(xué)和化學(xué)教授Wilson Ho說。"依靠探測(cè)兩級(jí)系統(tǒng)中狀態(tài)的相干疊加的量子顯微鏡比不基于這種量子物理原理的現(xiàn)有儀器要敏感得多。"

Ho說，氫分子是一個(gè)兩級(jí)系統(tǒng)的例子，因?yàn)樗姆较蛟趦蓚€(gè)位置之間轉(zhuǎn)換，即上下和稍微水平傾斜。通過一個(gè)激光脈沖，科學(xué)家們可以哄騙該系統(tǒng)以循環(huán)的方式從基態(tài)到激發(fā)態(tài)，從而形成兩種狀態(tài)的疊加。循環(huán)振蕩的持續(xù)時(shí)間非常短暫--僅持續(xù)幾十皮秒--但通過測(cè)量這個(gè)"退相干時(shí)間"和循環(huán)周期，科學(xué)家們能夠看到氫分子是如何與其環(huán)境互動(dòng)的。

負(fù)責(zé)組裝和使用配備太赫茲激光器的掃描隧道顯微鏡的UCI團(tuán)隊(duì)，從左到右分別是：UCI物理與天文學(xué)博士生Bai Dan；Bren物理與天文學(xué)和化學(xué)教授Wilson Ho；物理與天文學(xué)博士生Xia Yunpeng；以及化學(xué)博士生Wang likun。

"氫分子成為了量子顯微鏡的一部分，因?yàn)闊o論顯微鏡掃描到哪里，氫都在尖端和樣品之間，它使一個(gè)極其敏感的探針，使我們能夠看到低至0.1埃的變化。在這種分辨率下，我們可以看到樣品上的電荷分布如何變化。"

STM尖端和樣品之間的空間幾乎小得難以想象，大約6埃或0.6納米。Ho和他的團(tuán)隊(duì)組裝的STM配備了檢測(cè)在這個(gè)空間流動(dòng)的微小電流，并產(chǎn)生光譜讀數(shù)，證明氫分子和樣品元素的存在。這個(gè)實(shí)驗(yàn)代表了基于太赫茲誘導(dǎo)的整流電流通過單個(gè)分子的化學(xué)敏感光譜學(xué)的首次展示。

基于氫的量子相干性在這一層次上表征材料的能力在催化劑的科學(xué)和工程方面可以有很大的用處，因?yàn)樗鼈兊墓δ芡Q于單原子規(guī)模的表面缺陷。

研究的主要作者、UCI物理與天文學(xué)專業(yè)的研究生Likun Wang說："只要?dú)錃饪梢员晃皆谝环N材料上，原則上，你可以用氫氣作為傳感器，通過觀察它們的靜電場(chǎng)分布來描述材料本身。"