العلماء يؤكدون إمكانية تحويل جزيء الهيدروجين إلى جهاز مستشعر كمي

تحويل جزيء الهيدروجين إلى مستشعر كمي

أظهر الفيزيائيون في جامعة كاليفورنيا، إيرفين، إمكانية استخدام جزيء الهيدروجين كمستشعر كمي في مجهر مسح نفقي مزود بالليزر تيراهيرتز، وهي تقنية يمكنها قياس الخصائص الكيميائية للمواد في وقت غير مسبوق وبدقة مكانية.

العلماء يؤكدون إمكانية تحويل جزيء الهيدروجين إلى جهاز مستشعر كمي

يمكن أيضاً تطبيق هذه التقنية الجديدة على تحليل المواد ثنائية الأبعاد، والتي لديها القدرة على لعب دور مهم في أنظمة الطاقة المتقدمة، والإلكترونيات، وأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

يصف الباحثون في قسم الفيزياء والفلك وقسم الكيمياء في جامعة كاليفورنيا كيفية وضع ذرتين مرتبطتين من الهيدروجين بين الطرف الفضي للمجهر وعينة مكونة من سطح نحاسي مسطح مصفوف عليه جزر صغيرة من نيتريد النحاس، مع نبضات الليزر التي تدوم تريليون جزء من الثانية، وتمكن العلماء من إثارة جزيء الهيدروجين واكتشاف التغيرات في حالاته الكمومية في درجات الحرارة شديدة البرودة وفي بيئة الفراغ العالية جداً للأداة.

وقال المؤلف المشارك ويلسون هو، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك والكيمياء: "يمثل هذا المشروع تقدماً في كل من تقنية القياس والسؤال العلمي الذي سمح لنا هذا الأسلوب باستكشافه، فالمجهر الكمومي الذي يعتمد على التحقيق في التراكب المترابط للحالات في نظام من مستويين هو أكثر حساسية بكثير من الأدوات الحالية التي لا تعتمد على مبدأ فيزياء الكم هذا".

وقال هو أن جزيء الهيدروجين هو مثال على نظام من مستويين لأن اتجاهه يتحول بين موضعين، أعلى وأسفل ويميل أفقياً بشكل قليل، ومن خلال نبضة الليزر، يمكن للعلماء إقناع النظام بالانتقال من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة بطريقة دورية مما يؤدي إلى تراكب الحالتين، كما أن مدة التذبذبات الدورية مختصرة تماماً، حيث تدوم عشرات البيكو ثانية فقط، ولكن بقياس "وقت فك الترابط" والفترات الدورية، تمكن العلماء من رؤية كيفية تفاعل جزيء الهيدروجين مع بيئته.

جزيء الهيدروجين يصبح جزءاً من المجهر الكمومي

وقال هو: "أصبح جزيء الهيدروجين جزءاً من المجهر الكمومي بمعنى أنه أينما تم مسح المجهر، كان الهيدروجين موجوداً بين الطرف والعينة، إنه يصنع مسباراً شديد الحساسية، مما يسمح لنا برؤية الاختلافات وصولاً إلى 0.1 أنغستروم، وفي هذه الحالة، يمكننا أن نرى كيف تتغير توزيعات الشحن على العينة".

هذا ويمكن أن تكون القدرة على توصيف المواد في هذا المستوى من التفاصيل بناءً على التماسك الكمي للهيدروجين ذات فائدة كبيرة في علم وهندسة المحفزات لأن عملها يعتمد غالباً على عيوب السطح على نطاق الذرات المفردة.