锂分子“化身”量子传感器，精确测量材料化学性质

近日，自然研究小组取得成功使用碳水分子作为相对论电子设备，解决问题了目前略低于的时空精度下校准工艺的化学性质。

一个碳水分子的3D渲染图，图像来自iStock

前述技术还可应用于研究二维工艺，这些工艺将在能源子系统、电子与相对论计算机中所起到作用。

此次，美国马里兰大学卡里所学院(UCI)天体物理学学家在配备太赫兹（即10的12大数赫兹）电子束的扫描隧道内全像(STM)中所，取得成功将碳水分子作为相对论电子设备。相关成果刊登在《自然科学》(Science)。

设计团队将两个结合的碳氧原子置于全像的银制尖端(Ag Tip)和一个由磷化铜(copper nitride)排列组成、较厚平坦的电子束错综复杂，通过停滞数万亿分之一秒的电子束相位，激发出碳水分子，并在仪器超低温和超高真空周围环境下探测其相对论态变动，取得氧原子尺度下电子束的瞬时图像。

实验电子设备示意图，图像来自马里兰大学卡里所学院(UCI)

“该单项呈现了校准技术以及利用这一方法探索自然科学问题的进步。”UCI天体物理学、星象和化学讲师兼论文共同创作者Wilson Ho写到，“依靠探测两原子子系统中所相干叠加态的相对论全像，比非基于相对论天体物理学学原理的现有仪器更为引人注目。”

碳水分子是一个典型的两原子子系统，因为它的方向可以在两个左边间类比，即上下和略微水平垂直。通过电子束相位，自然研究小组们可以诱使子系统周期性地从基态进入原子，并使两种完全叠加。这种反转振荡的停滞时间非常短暂，仅停滞几十皮秒（1皮秒为一万亿分之一秒），但通过校准这种“后退相干时间”和反转周期，自然研究小组能够了解碳水分子如何与周围环境相互作用。

“碳水分子已带进相对论全像的一部分。因为无论全像扫描到哪里，碳都处在尖端和样本错综复杂，”Wilson Ho透露，“这是一个非常引人注目的太空船，可以使我们看着0.1埃，即0.01纳米以下的变动。在这一精度下，我们可以看着电子束上的电荷原产如何变动。”

STM全像尖端和电子束错综复杂仅有约0.6纳米的空间。设计团队组装的STM设备可以探测在这个空间中所流动的微小电压，并产生光度读数，证明碳水分子和电子束成分的依赖于。研究人员透露，该实验首次展示了基于太赫兹触摸的整流电压通过单个水分子的化学引人注目光度。

马里兰大学卡里所学院(UCI)研究设计团队，图像来自马里兰大学卡里所学院

基于碳的相对论相干性，在这一精度水平上表征工艺的能力可以在催化自然科学和工程项目方面起到较大作用，这些工艺的功能一般来说一般来说单氧原子的较厚有缺陷。“只要碳可以被吸附到工艺上，原则上就能用碳作为电子设备，通过观察其电磁场原产来表征工艺本身。”论文主要创作者、UCI天体物理学与星象学研究生Likun Wang写到。

前述单项取得美国能源部为基础能源自然科学办公室(DOE-BES)支持。