Atomic-scale quantum sensing based on the ultrafast coherence of an H 2 molecule in an STM cavity

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作者
Likun Wang,Yunpeng Xia,W. Ho
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:376 (6591): 401-405 被引量:39
标识
DOI:10.1126/science.abn9220
摘要

A scanning tunneling microscope (STM) combined with a pump-probe femtosecond terahertz (THz) laser can enable coherence measurements of single molecules. We report THz pump-probe measurements that demonstrate quantum sensing based on a hydrogen (H2) molecule in the cavity created with an STM tip near a surface. Atomic-scale spatial and femtosecond temporal resolutions were obtained from this quantum coherence. The H2 acts as a two-level system, with its coherent superposition exhibiting extreme sensitivity to the applied electric field and the underlying atomic composition of the copper nitride (Cu2N) monolayer islands grown on a Cu(100) surface. We acquired time-resolved images of THz rectification of H2 over Cu2N islands for variable pump-probe delay times to visualize the heterogeneity of the chemical environment at sub-angstrom scale.
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