Wasserstoffbasiertes Quantenmikroskop visualisiert kleinste Veränderungen in Atomen

Physiker der University of California, Irvine platzierten zwei gebundene Wasserstoffatome zwischen einem Silber

Sonde eines Rastertunnelmikroskops (STM)und die Testprobe, bestehend aus einer flachen Kupferoberfläche mit kleinen Inseln aus Kupfernitrid. Mithilfe von Laserpulsen mit einer Dauer von Billionstelsekunden bei kryogenen Temperaturen im Ultrahochvakuum des Geräts konnten Wissenschaftler ein Wasserstoffmolekül anregen und Änderungen in seinen Quantenzuständen aufzeichnen. Dies ermöglichte es dem STM, „Standbilder“ der Probe im atomaren Maßstab zu erzeugen.

Die Forscher stellen fest, dass das Wasserstoffmolekülist ein Beispiel für ein zweistufiges System. Seine Ausrichtung wechselt zwischen zwei Positionen: nach oben und unten und leicht horizontal geneigt. Mit einem Laserpuls zwingen die Wissenschaftler das System dazu, vom Grundzustand in den angeregten Zustand zu wechseln, was zu einer Überlagerung der beiden Zustände führt. Die Dauer zyklischer Schwingungen ist verschwindend klein - nur wenige zehn Pikosekunden. Durch die Messung dieser „Dekohärenzzeit“ und zyklischer Perioden konnten die Wissenschaftler sehen, wie das Wasserstoffmolekül mit seiner Umgebung interagiert.

Quelle: Universität von Kalifornien, Irvine

Abstand zwischen STM-Spitze und Probebeträgt nur 0,6 nm. Das von den Autoren der Arbeit zusammengestellte Mikroskop erkennt die kleinsten elektrischen Ströme, die in diesem Raum fließen, und erhält spektroskopische Messwerte, die das Vorhandensein eines Wasserstoffmoleküls und von Elementen der Probe bestätigen. 

„Das Wasserstoffmolekül ist Teil des Quants gewordenMikroskop in dem Sinne, dass überall dort, wo das Mikroskop scannte, Wasserstoff zwischen der Nadel und der Probe war, sagt Wilson Ho, Leiter der Studie. „Dies ist eine extrem empfindliche Sonde, mit der wir Abweichungen bis zu 0,1 Angström erkennen können. Mit dieser Auflösung haben wir gesehen, wie sich die Ladungsverteilung auf der Probe verändert.“

Hohe Detailgenauigkeit basierend auf QuantenDie Kohärenz von Wasserstoff kann laut Physikern in der wissenschaftlichen Forschung und bei der Entwicklung von Katalysatoren sehr nützlich sein, deren Funktionieren oft von Oberflächendefekten auf der Skala einzelner Atome abhängt.

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