Фізики з Інституту науки про світло товариства Макса Планка (MPL) продемонстрували, що окремі молекули, розміщені на надчистій поверхні кристала, можуть зберігати квантову когерентність на фундаментальній межі Фур’є. Про це повідомляє видання SciTechDaily.
Зазвичай молекули на поверхні поводяться нестабільно: забруднення та флуктуації оточення швидко руйнують їхні тонкі квантові стани. Тому раніше для точних квантово-оптичних експериментів молекули або атоми зазвичай поміщали у вакуумні пастки чи всередину твердих тіл.
Як створили надчисту поверхню
Команда під керівництвом професора Вагіда Сандогдара (Vahid Sandoghdar), директора MPL і очільника підрозділу «Нанооптика», знайшла спосіб обійти проблему забруднення поверхні, використавши особливу властивість органічного кристала: він повільно випаровується за кімнатної температури.
Дослідники помістили невеликий кристал у кріостат під вакуумом. Верхні шари кристала природно сублімували, «забираючи» із собою молекули забруднень. Після цього кристал охолодили до температур лише на кілька градусів вище абсолютного нуля, зупинивши подальше випаровування.
На так підготовлену, щойно очищену поверхню за наднизької температури за допомогою мікрофабрикованої «мікропечі» осадили окремі молекули. У результаті квантові емітери опинилися в надзвичайно стабільному та «тихому» середовищі.
Досягнення межі Фур’є для когерентності
Багато оптичних квантових технологій спираються на наномасштабні об’єкти — атоми та молекули, які сильно взаємодіють зі світлом. Такі квантові емітери можуть випромінювати поодинокі фотони, зберігати квантову інформацію та передавати заплутаність, що є основою квантового зв’язку й обчислень.
Щоб вивчати один емітер, його потрібно надійно зафіксувати й водночас зберегти його квантові властивості. Дослідник підрозділу «Нанооптика» доктор Олексій Шкарін (Alexey Shkarin) пояснює, що якість квантових емітерів оцінюють за часом когерентності — тим, як довго система зберігає свою «квантовість».
Цей час не може перевищувати фундаментальну межу, відому як межа Фур’є, яка визначається тим, як довго емітер передає свою енергію оточенню. У «шумному» середовищі когерентність може скорочуватися у сотні чи тисячі разів.
У нових експериментах, розмістивши молекули на надчистій поверхні органічного кристала з відповідною молекулярною структурою, дослідники виявили, що час їхньої когерентності стабільно досягає межі Фур’є. Це вперше вдалося зробити саме для молекул, адсорбованих на поверхні, що свідчить про надзвичайно стабільне та малошумне оточення.
Поверхня не лише фіксує, а й змінює молекули
Експерименти показали, що поверхня кристала не просто утримує молекули на місці. Вона змушує адсорбовані молекули займати певну орієнтацію, зсуває їхні енергетичні рівні та, ймовірно, впливає на форму або характер їхніх коливань.
Це відкриває можливість не лише стабільно спостерігати квантові стани, а й цілеспрямовано змінювати властивості окремих емітерів через взаємодію з поверхнею.
За словами Вагіда Сандогдара, наступним кроком стане поєднання цієї методики з атомно-силовою мікроскопією (AFM) та сканувально-тунельною мікроскопією (STM). Це має дати змогу керувати окремими квантовими емітерами з нанометровою точністю безпосередньо на поверхні.
Комбінація надчистої поверхні з такими мікроскопічними інструментами дозволить детально досліджувати властивості поверхонь і по-новому проєктувати квантові стани матерії, що важливо для розвитку квантової оптики та майбутніх квантових технологій.