वैज्ञानिक हाइड्रोजन अणु को क्वांटम सेंसर में बदलते हैं

स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप के अल्ट्राहाई वैक्यूम में, चांदी की नोक और नमूने के बीच एक हाइड्रोजन अणु होता है। टेराहर्ट्ज लेजर के फेमटोसेकंड विस्फोट अणु को उत्तेजित करते हैं, इसे क्वांटम सेंसर में बदल देते हैं। क्रेडिट: विल्सन हो लैब, यूसीआई

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन के भौतिकविदों ने एक टेराहर्ट्ज लेजर से लैस स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप में क्वांटम सेंसर के रूप में हाइड्रोजन अणु के उपयोग का प्रदर्शन किया है, एक ऐसी तकनीक जो अभूतपूर्व समय और स्थानिक संकल्पों पर सामग्री के रासायनिक गुणों को माप सकती है।

इस नई तकनीक को द्वि-आयामी सामग्री के विश्लेषण के लिए भी लागू किया जा सकता है जिसमें उन्नत ऊर्जा प्रणालियों, इलेक्ट्रॉनिक्स और क्वांटम कंप्यूटरों में भूमिका निभाने की क्षमता है।

आज में विज्ञान, यूसीआई के भौतिकी और खगोल विज्ञान विभाग और रसायन विज्ञान विभाग के शोधकर्ताओं ने वर्णन किया है कि उन्होंने एसटीएम की चांदी की नोक और तांबे के नाइट्राइड के छोटे द्वीपों के साथ एक सपाट तांबे की सतह से बना एक नमूना के बीच हाइड्रोजन के दो बाध्य परमाणुओं को कैसे रखा। एक सेकंड के खरबवें खरबवें लेजर की दालों के साथ, वैज्ञानिक हाइड्रोजन अणु को उत्तेजित करने में सक्षम थे और क्रायोजेनिक तापमान पर और उपकरण के अल्ट्राहाई वैक्यूम वातावरण में इसकी क्वांटम अवस्थाओं में परिवर्तन का पता लगाने में सक्षम थे, परमाणु-पैमाने, समय-व्यतीत छवियों को प्रस्तुत करते हुए नमूना।

भौतिकी और खगोल विज्ञान और रसायन विज्ञान के ब्रेन प्रोफेसर सह-लेखक विल्सन हो ने कहा, “यह परियोजना माप तकनीक और वैज्ञानिक प्रश्न दोनों में प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है, जिस दृष्टिकोण ने हमें तलाशने की इजाजत दी।” “एक क्वांटम माइक्रोस्कोप जो दो-स्तरीय प्रणाली में राज्यों के सुसंगत सुपरपोजिशन की जांच पर निर्भर करता है, मौजूदा उपकरणों की तुलना में बहुत अधिक संवेदनशील है जो इस क्वांटम भौतिकी सिद्धांत पर आधारित नहीं हैं।”

हो ने कहा कि हाइड्रोजन अणु दो-स्तरीय प्रणाली का एक उदाहरण है क्योंकि इसका अभिविन्यास दो स्थितियों के बीच बदलता है, ऊपर और नीचे और थोड़ा क्षैतिज रूप से झुका हुआ। एक लेजर पल्स के माध्यम से, वैज्ञानिक एक चक्रीय फैशन में जमीनी अवस्था से उत्तेजित अवस्था में जाने के लिए सिस्टम को सहला सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप दोनों राज्यों का सुपरपोजिशन हो जाता है। चक्रीय दोलनों की अवधि गायब हो जाती है – स्थायी केवल दसियों पिकोसेकंड – लेकिन इस “विघटन समय” और चक्रीय अवधियों को मापकर वैज्ञानिक यह देखने में सक्षम थे कि हाइड्रोजन अणु अपने पर्यावरण के साथ कैसे बातचीत कर रहा था।

वैज्ञानिक हाइड्रोजन अणु को क्वांटम सेंसर में बदलते हैं

यहां चित्रित टेराहर्ट्ज लेजर से लैस स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप के असेंबली और उपयोग के लिए जिम्मेदार यूसीआई टीम, बाएं से दाएं, डैन बाई, यूसीआई पीएच.डी. भौतिकी और खगोल विज्ञान में छात्र; विल्सन हो, ब्रेन प्रोफेसर ऑफ फिजिक्स एंड एस्ट्रोनॉमी एंड केमिस्ट्री; युनपेंग ज़िया, पीएच.डी. भौतिकी और खगोल विज्ञान में छात्र; और लिकुन वांग और पीएच.डी. रसायन विज्ञान में उम्मीदवार। क्रेडिट: स्टीव ज़ाइलियस / यूसीआई

“हाइड्रोजन अणु इस अर्थ में क्वांटम माइक्रोस्कोप का हिस्सा बन गया कि जहां भी माइक्रोस्कोप स्कैन किया गया था, वहां टिप और नमूने के बीच हाइड्रोजन था, ” हो ने कहा। “यह एक अत्यंत संवेदनशील जांच के लिए बनाता है, जिससे हमें 0.1 एंगस्ट्रॉम में भिन्नता देखने की अनुमति मिलती है। इस संकल्प पर, हम देख सकते हैं कि नमूने पर चार्ज वितरण कैसे बदलता है। ”

एसटीएम टिप और नमूने के बीच का स्थान लगभग अकल्पनीय रूप से छोटा है, लगभग छह एंगस्ट्रॉम या 0.6 नैनोमीटर। एसटीएम जिसे हो और उनकी टीम ने इकट्ठा किया था, इस अंतरिक्ष में बहने वाले मिनट विद्युत प्रवाह का पता लगाने के लिए सुसज्जित है और हाइड्रोजन अणु और नमूना तत्वों की उपस्थिति को साबित करने वाले स्पेक्ट्रोस्कोपिक रीडिंग का उत्पादन करता है। हो ने कहा कि यह प्रयोग एक एकल अणु के माध्यम से टेराहर्ट्ज़-प्रेरित रेक्टिफिकेशन करंट पर आधारित रासायनिक रूप से संवेदनशील स्पेक्ट्रोस्कोपी के पहले प्रदर्शन का प्रतिनिधित्व करता है।

हाइड्रोजन के क्वांटम सुसंगतता के आधार पर विस्तार के इस स्तर पर सामग्री को चिह्नित करने की क्षमता उत्प्रेरक के विज्ञान और इंजीनियरिंग में बहुत उपयोगी हो सकती है, क्योंकि उनका कामकाज अक्सर एकल परमाणुओं के पैमाने पर सतह की खामियों पर निर्भर करता है, हो के अनुसार।

भौतिकी और खगोल विज्ञान में यूसीआई स्नातक छात्र अध्ययन के प्रमुख लेखक लिकुन वांग ने कहा, “जब तक हाइड्रोजन को किसी सामग्री पर अधिशोषित किया जा सकता है, सिद्धांत रूप में, आप अपने इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र वितरण के अवलोकन के माध्यम से सामग्री को चिह्नित करने के लिए एक सेंसर के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग कर सकते हैं।” .

इस परियोजना में हो और वांग के साथ यूनपेंग ज़िया, भौतिकी और खगोल विज्ञान में यूसीआई स्नातक छात्र थे।


एकल अणुओं और अणु-आधारित संरचनाओं पर ईएसआर-एसटीएम


अधिक जानकारी:

लिकुन वांग एट अल, एसटीएम गुहा में एच 2 अणु के अल्ट्राफास्ट सुसंगतता के आधार पर परमाणु-पैमाने पर क्वांटम सेंसिंग, विज्ञान (2022)। डीओआई: 10.1126 / Science.abn9220

द्वारा उपलब्ध कराया गया
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन

उद्धरण:
वैज्ञानिक हाइड्रोजन अणु को क्वांटम सेंसर में बदलते हैं (2022, 22 अप्रैल)
22 अप्रैल 2022 को लिया गया
https://phys.org/news/2022-04-scientists-hydrogen-molecule-quantum-sensor.html से

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