Учените от Института „Макс Планк“ (MPL) постигнаха пробив в квантовата физика с разработката метод за изследване на отделни молекули върху повърхност с изключителна точност. За първи път изследователите са показали, че молекулите, прикрепени към повърхността могат да достигнат фундаменталната квантова граница на оптичната кохерентност – преодолявайки препятствието, което дълго време ограничаваше молекулярните квантови изследвания.
Резултатите, публикувани в списание Science могат да отворят нови възможности за изучаване на взаимодействието на молекулите с повърхностите и за създаване на авангардни квантови технологии.
Много от перспективните квантови технологии зависят от най-малките обекти – отделни атоми и молекули, които взаимодействат със светлината. Такива квантови излъчватели са способни да излъчват единични фотони, да съхраняват квантова информация и да свързват отдалечени системи, което е важно за бъдещите квантови изчисления и защитената комуникация.
За да се изследва единичен излъчвател, той трябва да се задържи стабилен на едно място за дълго време — обикновено за тази цел атомите или молекулите се поставят във вакуум или се вграждат в твърди материали. Разполагането директно върху повърхността дава привлекателно предимство: молекулите могат да се манипулират, като се „докосват“ с изключително остра сонда, както при сканиращата тунелна (STM) и атомно-силова (AFM) микроскопия. Проблемът е, че повърхностите рядко са толкова чисти и стабилни, колкото изискват квантовите експерименти: замърсяванията от околната среда се натрупват и нарушават крехкото квантово поведение.
Екип от отдела по нанооптика на MPL под ръководството на професор Вахид Сандогхдар е намерил обходен път. Изследователите са използвали необичаен метод за почистване, основан на естествено свойство на органичните кристали: при стайна температура материалът постепенно се изпарява чрез сублимация – преход от твърдо състояние директно в газообразно.Кристалът e бил поставен във вакуумна камера с криостат за свръхниски температури. С бавното изпаряване на горните слоеве на кристала нежеланите примеси са се отстранявали, оставяйки изключително чиста повърхност. След това кристалът е бил охладен до няколко градуса над абсолютната нула, което спряло по-нататъшната сублимация и запазило чистотата. И накрая, с помощта на миниатюрна специална пещ, върху студения кристал са били изпарени молекулите, отложени върху чистата повърхност.
Такава стабилна среда позволила да се провери дали молекулите запазват своите крехки квантови свойства.
„Качеството на квантовите излъчватели може да се оцени по времената им на кохерентност, които показват колко дълго те запазват своята квантовост.“
обясни д-р Алексей Шкарин, изследовател от отдела по нанооптика на MPL.Времето на кохерентност описва колко дълго квантовата система запазва свойствата, необходими за квантовото поведение. Съществува обаче фундаментално физично ограничение — границата на Фурие, определяна от времето, за което излъчвателят отдава енергия в околната среда. В нестабилна, „шумна“ среда кохерентността може да изчезне стотици и хиляди пъти по-бързо от тази граница.
Учените са установили, че молекулите върху изключително чистата повърхност на кристала стабилно достигаха границата на Фурие. Това доказа, че околната среда е достатъчно „тиха“ и стабилна, за да поддържа квантовата кохерентност на молекулите през максимално дългото физически възможно време. За първи път такъв фундаментален праг е достигнат за молекули, прикрепени към повърхността.
Този пробив позволи също така да се проучи как повърхността на кристала влияе върху молекулите, разположени върху нея. По-нататъшни експерименти показаха, че взаимодействието с повърхността може да накара молекулите да се подредят в определени посоки и да променят енергийните си нива. Има и индикации, че повърхността може да влияе върху формата на молекулите или характера на техните колебания.
„Нашата бъдеща работа ще се съсредоточи върху комбинирането на този метод с AFM и STM, за да постигнем локален нанометров контрол върху отделни квантови излъчватели.“
казва Вахид СандогхдарЧрез съчетаването на техниката за свръхчиста повърхност с мощни методи за микроскопия изследователите се надяват да манипулират отделни квантови излъчватели с точност до милиардна част от метъра. Това може да разкрие досега недостъпни детайли за взаимодействието на молекулите с повърхностите и да положи основата за създаването на нови квантови състояния на материята и развитието на бъдещи молекулярни квантови технологии.