Исследователи Института науки о свете Общества Макса Планка впервые добились предельной оптической когерентности у отдельных молекул, закреплённых на поверхности. Результаты работы опубликованы в журнале Science. Достижение может помочь изучать взаимодействие молекул с поверхностями и создавать новые квантовые технологии.
Квантовые устройства используют отдельные атомы и молекулы, способные взаимодействовать со светом. Такие системы, называемые квантовыми излучателями, могут испускать одиночные фотоны, хранить квантовую информацию и обеспечивать квантовые связи между удалёнными объектами. Эти свойства важны для квантовых вычислений и защищённой квантовой коммуникации.
Для экспериментов излучатель необходимо надолго зафиксировать в одном месте. Обычно атомы и молекулы удерживают в вакууме или помещают внутрь твёрдого материала. Поверхность могла бы дать исследователям возможность воздействовать на отдельные молекулы сверхострым зондом, например с помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM) или атомно-силового микроскопа (AFM), однако загрязнения нарушают хрупкое квантовое состояние.
Команда отдела нанооптики MPL под руководством директора института и руководителя отдела профессора Вахида Сандогдара решила проблему с помощью органического кристалла. В вакуумной камере с криостатом верхние слои кристалла постепенно испарялись напрямую из твёрдого состояния в газообразное, унося загрязняющие частицы. Затем материал охладили до температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, что остановило сублимацию и сохранило чистоту поверхности.
После этого специально изготовленная миниатюрная печь испарила молекулы на охлаждённый кристалл. Исследователи проверили, как долго молекулы сохраняют квантовые свойства. «Качество квантовых излучателей можно оценивать по времени когерентности, которое показывает, как долго они сохраняют свою квантовую природу», — пояснил исследователь отдела нанооптики MPL Алексей Шкарин.
Учёные установили, что молекулы на очищенной поверхности достигали предела Фурье — максимального времени когерентности, разрешённого физикой и связанного со скоростью отдачи энергии окружающей среде. В шумной среде когерентность обычно исчезает в сотни или тысячи раз быстрее. Это первый случай, когда молекулы, закреплённые на поверхности, достигли такого предела. Дополнительные эксперименты показали, что поверхность способна менять ориентацию молекул, их энергетические уровни, а возможно, форму и характер колебаний. «В дальнейшей работе мы сосредоточимся на объединении этого метода с AFM и STM, чтобы получить локальный нанометровый контроль над отдельными квантовыми излучателями», — сказал Вахид Сандогдар.