Science：化“气”为剑！氢气量子传感器问世！

一、【引言】

量子计算和量子传感已经被证明比经典计算和传感方式强大得多。量子计算追求的是较长的退相干时间。与量子计算不同，量子传感则是利用了量子系统对外部环境的高灵敏度，利用的是量子系统的弱点。

扫描隧道显微镜（STM）能够提供原子级操控及成像能力。科学家通过对STM尖端进行分子量子修饰可以实现表面电势的测试。通过使用单磁原子对STM尖端进行修饰，可以获得电子自旋共振传感能力，实现对原子/分子自旋产生的局域磁场的探测。将扫描隧道显微镜和超快飞秒激光结合可以观测分子运动状态（要知道，只有具有足够快的时间分辨率才能观察到分子运动的过程）。以上研究展示了STM在功能扩展上的优异的特性，然而，截至目前，想要同时实现飞秒级时间分辨率和原子级空间分辨率的STM成像仍然是个巨大挑战。

二、【成果掠影】

针对上述问题，2022年4月21日，Science刊发了来自加州大学欧文分校的W. Ho教授的最新研究，研究者创造性地在将STM与飞秒太赫兹激光结合，将氢气分子激发为量子传感器，实现了前所未有的飞秒级时间分辨率和原子级空间分辨率成像。论文题目为“Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H₂ molecule in an STM cavity”。

这篇论文上线3天，就被国际科技媒体报道了多达16次，其Altmetric指数已达128，受到了不小的关注。

三、【数据概览】

图1 在扫描隧道显微镜的超高真空中，一个氢分子被夹在银尖端和样品之间。太赫兹激光的飞秒脉冲激发分子，将H₂变成量子传感器。图片来源：UCI 的 Wilson Ho 实验室

图2 (A) THz-STM实验装置示意图,τ为激发和探测太赫兹光源直接的时间差。(B) STM腔中的H₂分子的非对称双井势。(c) Cu₂N岛的恒流形貌图像大小。(D) 放大Cu₂N岛的地形图像。

图3 Cu₂N表面太赫兹整流成像，同时具有皮秒级时间分辨和原子级的空间分辨

四、【成果启示】

氢气分子是一种经典的两能级系统，作者使用太赫兹激光脉冲使氢气分子从基态变为激发态，实现两种量子状态的叠加。此时，氢分子成为STM的一部分，无论显微镜扫描到哪里，氢都位于尖端和样品之间，这样就可以实时看到样品上的电荷分布。此外，可以在飞秒激光的帮助下检测到氢分子量子态的变化，通过测量循环振荡的持续时间和退相干时间可以研究氢分子与探测样品环境的相互作用。这种基于氢气的量子相干性的新型STM量子传感系统将在催化剂工程科学中具有重要的应用前景。

文献链接：Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H₂ molecule in an STM cavity. Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abn9220.