Молекулы на грани возможного. Ученые достигли фундаментального квантового предела на сверхчистой поверхности
Физики Института Макса Планка совершили прорыв, достигнув предельного квантового уровня для молекул на поверхности. Этот метод открывает новые перспективы для развития сверхмощных квантовых компьютеров и безопасной связи.
Команда исследователей из Института науки о свете имени Макса Планка (MPL) объявила о важном прорыве в области квантовой физики. Ученые разработали уникальную методику, позволяющую изучать отдельные молекулы на твердой поверхности с беспрецедентной точностью. Впервые в истории исследований специалисты доказали, что молекулы на поверхности могут достигать предельного квантового уровня оптической когерентности, преодолевая барьер, долгие годы сдерживавший развитие нанотехнологий.
Результаты работы опубликованы в научном журнале Science.
Мир современных квантовых технологий основан на использовании крошечных объектов, таких как одиночные атомы или молекулы, способные взаимодействовать со светом. Так называемые квантовые излучатели генерируют отдельные кванты света (фотоны), сохраняют информацию и обеспечивают защищенную связь. Традиционно для стабилизации таких систем содержали их в вакууме или в толще твердых материалов. Размещение излучателей непосредственно на поверхности дает огромное преимущество: ученые получают возможность буквально «прикасаться» к молекулам с помощью ультраточных зондов, используя сканирующую туннельную или атомно-силовую микроскопию.
Однако главным препятствием всегда оставалась нестабильность и загрязнение поверхностей, разрушающих тонкие квантовые состояния. Команда под руководством профессора Вахида Сандогдара нашла элегантное решение этой проблемы, использовав природное явление сублимации — прямое превращение твердого вещества в газ без жидкой фазы. Поместив органический кристаллический материал в криостат при очень низких температурах, исследователи добились постепенного испарения верхних слоев вместе со всеми микроскопическими загрязнениями.
После этого камеру охладили до нескольких градусов выше абсолютного нуля (около минус 270 градусов Цельсия), что полностью остановило сублимацию и сохранило идеальную чистоту поверхности. Посредством микропечи на этот чистый слой осели исследуемые молекулы. Как пояснил сотрудник института доктор Алексей Шкарин, качество таких квантовых систем оценивается временем когерентности — периодом, в течение которого молекула сохраняет свою квантовую природу.
В неблагоприятной среде когерентность исчезает мгновенно. Однако на сверхчистой кристаллической поверхности молекулы стабильно демонстрировали достижение границы Фурье — фундаментального предела, определяемого скоростью высвобождения энергии в среду. Этот результат впервые зафиксирован для поверхностных молекул.
Последующие эксперименты показали, что взаимодействие с поверхностью способно выравнивать молекулы в заданных направлениях и изменять их энергетические уровни и колебания.
В планах научной группы соединить эту технологию с атомно-силовой микроскопией для получения локального контроля с точностью до нанометров. Это позволит глубже понять поведение материи на микроуровне и создать новые состояния вещества для будущих квантовых сетей.