Kvantový průlom: Čistý povrch krystalu umožnil molekulám dosáhnout ultimativního kvantového limitu

Vědci z Institutu Maxe Plancka pro vědu o světle (MPL) vyvinuli techniku, která umožňuje studovat molekuly na površích s dosud nevídanou spektroskopickou přesností.

Vědci z Institutu Maxe Plancka pro vědu o světle (MPL) vyvinuli techniku, která umožňuje studovat molekuly na površích s dosud nevídanou spektroskopickou přesností. Poprvé se jim podařilo dosáhnout ultimativního kvantového limitu, což otevírá nové možnosti pro výzkum interakcí mezi molekulami a povrchy a pro vývoj molekulárních kvantových technologií.

Optické kvantové technologie se opírají o nanoobjekty, jako jsou atomy nebo molekuly, které silně interagují se světlem. Tyto kvantové zářiče jsou klíčové pro generování jednotlivých fotonů, ukládání kvantových informací a distribuci provázání, což má zásadní uplatnění v kvantové komunikaci a výpočtech. Pro individuální studium těchto zářičů je nutné je dlouhodobě udržet na jednom místě. Toho se obvykle dosahuje buď jejich zachycením ve vakuu, nebo umístěním do objemového materiálu. Kvantové zářiče umístěné na povrchu by však vytvořily nové příležitosti pro manipulaci s jejich funkcemi, například pomocí atomicky ostrého hrotu, jaký se používá u skenovací tunelové mikroskopie (STM) a mikroskopie atomárních sil (AFM).

Dříve však vědci nebyli schopni získat kontrolu nad atomy a molekulami vázanými na povrchu při zachování jejich kvantově-optických vlastností. Důvodem je, že povrchy snadno absorbují kontaminanty z prostředí, což vytváří vysoce nestabilní a „hlučné“ okolí, které narušuje vlastnosti kvantových zářičů. Tým profesora Vahida Sandoghdara z divize Nano-optiky MPL nyní vymyslel způsob, jak tuto bariéru překonat.

Nový přístup spočívá v čištění povrchu při nízkých teplotách. Vědci využili skutečnosti, že organický krystal se při pokojové teplotě pomalu odpařuje. Malý krystal umístili do kryostatu ve vakuu, kde se horní vrstvy krystalu přirozeně odpařily a odnesly s sebou i kontaminanty. Poté byl krystal ochlazen na teplotu jen několik Kelvinů nad absolutní nulou, aby se zastavila další sublimace. Následně vědci při těchto nízkých teplotách nanesli molekuly na povrch pomocí mikro-pece.

Kvalita kvantových zářičů se hodnotí podle doby koherence, která udává, jak dlouho si udrží své kvantové vlastnosti. Tyto doby nemohou být nikdy delší než takzvaný Fourierův limit, který je dán časem, za který zářič předá svou energii do okolí. V hlučném prostředí se však doba koherence může zkrátit stokrát až tisíckrát. Umístěním molekul na čistý povrch krystalu s vhodnou molekulární strukturou vědci zjistili, že jejich molekuly konzistentně dosahovaly Fourierova limitu. To znamená, že jejich okolí je extrémně klidné a stabilní, což je poprvé, co bylo tohoto fundamentálního limitu dosaženo na povrchu. V dalších propracovaných studiích skupina objevila několik způsobů, jak povrch ovlivňuje chování adsorbovaných molekul: orientuje je specifickým směrem, posouvá jejich energie a může dokonce ovlivnit jejich tvar nebo způsob vibrace.