Dans l’ultravide d’un microscope à effet tunnel, une molécule d’hydrogène est maintenue entre la pointe en argent et l’échantillon. Les rafales femtosecondes d’un laser terahertz excitent la molécule, la transformant en un capteur quantique. Crédit : Laboratoire Wilson Ho, UCI
Une nouvelle technique permet de mesurer avec précision les propriétés électrostatiques des matériaux.
Des physiciens de l’Université de Californie, Irvine (UCI) ont démontré l’utilisation d’une molécule d’hydrogène comme capteur quantique dans un microscope à effet tunnel équipé d’un laser térahertz, une technique qui permet de mesurer les propriétés chimiques des matériaux à des résolutions temporelles et spatiales sans précédent.
Cette nouvelle technique peut également être appliquée à l’analyse de matériaux bidimensionnels qui pourraient jouer un rôle dans les systèmes énergétiques avancés, l’électronique et les ordinateurs quantiques.
Le 21 avril 2022, dans le journal… Scienceles chercheurs du département de physique et d’astronomie et du département de chimie de l’UCI décrivent comment ils ont positionné deux atomes d’hydrogène liés entre la pointe d’argent du STM et un échantillon composé d’une surface de cuivre plate avec de petits îlots de nitrure de cuivre. Grâce à des impulsions laser d’une durée de quelques trillionièmes de seconde, les scientifiques ont pu exciter la molécule d’hydrogène et détecter les modifications de ses états quantiques à des températures cryogéniques et dans l’environnement sous ultravide de l’instrument, ce qui a permis d’obtenir des images de l’échantillon à l’échelle atomique et en temps réel.
“Ce projet représente une avancée à la fois dans la technique de mesure et dans la question scientifique que cette approche nous a permis d’explorer”, déclare le co-auteur Wilson Ho, professeur de physique et d’astronomie Donald Bren à l’UCI. Crédit : Steve Zylius / UCI
“Ce projet représente une avancée à la fois dans la technique de mesure et dans la question scientifique que l’approche nous a permis d’explorer”, a déclaré le co-auteur Wilson Ho, professeur Donald Bren de physique & ; astronomie et de chimie. “Un microscope quantique qui s’appuie sur le sondage de la superposition cohérente des états dans un système à deux niveaux est beaucoup plus sensible que les instruments existants qui ne sont pas basés sur ce principe de physique quantique.”
Ho a déclaré que la molécule d’hydrogène est un exemple de système à deux niveaux car son orientation passe de deux positions, de haut en bas et légèrement inclinée horizontalement. Grâce à une impulsion laser, les scientifiques peuvent faire passer le système d’un état fondamental à un état excité de manière cyclique, ce qui entraîne une superposition des deux états. La durée des oscillations cycliques est extrêmement brève – quelques dizaines de picosecondes – mais en mesurant ce “temps de décohérence” et les périodes cycliques, les scientifiques ont pu voir comment la molécule d’hydrogène interagissait avec son environnement.
L’équipe de l’UCI responsable de l’assemblage et de l’utilisation du microscope à balayage à effet tunnel équipé d’un laser térahertz photographié ici est, de gauche à droite, Dan Bai, étudiant en doctorat de physique et d’astronomie à l’UCI, Wilson Ho, professeur de physique, d’astronomie et de chimie à la chaire Bren, Yunpeng Xia, étudiant en doctorat de physique et d’astronomie, et Likun Wang, candidat au doctorat de chimie. Crédit : Steve Zylius / UCI
“La molécule d’hydrogène est devenue une partie du microscope quantique dans le sens où, quel que soit le point balayé par le microscope, l’hydrogène était là, entre la pointe et l’échantillon”, a déclaré Ho. “C’est une sonde extrêmement sensible, qui nous permet de voir des variations jusqu’à 0,1 angström. À cette résolution, nous avons pu voir comment les distributions de charges changent sur l’échantillon.”
L’espace entre la pointe du STM et l’échantillon est presque inimaginablement petit, environ six angströms ou 0,6 nanomètres. Le STM que Ho et son équipe ont assemblé est équipé pour détecter un minuscule courant électrique circulant dans cet espace et produire des lectures spectroscopiques prouvant la présence de la molécule d’hydrogène et des éléments de l’échantillon. Selon Ho, cette expérience représente la première démonstration d’une spectroscopie chimiquement sensible basée sur un courant de rectification induit par les térahertz à travers une seule molécule.
La capacité de caractériser les matériaux à ce niveau de détail en se basant sur la cohérence quantique de l’hydrogène peut être d’une grande utilité dans la science et l’ingénierie des catalyseurs, puisque leur fonctionnement dépend souvent d’imperfections de surface à l’échelle d’un seul atome, selon Ho.
“Tant que l’hydrogène peut être adsorbé sur un matériau, on peut en principe l’utiliser comme capteur pour caractériser le matériau lui-même en observant ses propriétés électrostatiques.a déclaré l’auteur principal de l’étude, Likun Wang, étudiant diplômé de l’UCI en physique et en astronomie.
Yunpeng Xia, étudiant diplômé de l’UCI en physique et astronomie, s’est joint à Ho et Wang sur ce projet, qui a été soutenu par le Bureau des sciences énergétiques de base du Département américain de l’énergie.
Référence : “Détection quantique à l’échelle atomique basée sur la cohérence ultrarapide d’un H2 dans une cavité STM” par Likun Wang, Yunpeng Xia et W. Ho, 21 avril 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abn9220
