Практично недосяжні молекули. Дослідники наблизилися до основної квантової межі на надзвичайно чистій поверхні.

Фізики з Інституту Макса Планка зробили значний крок уперед, досягнувши межі квантового рівня для молекул, розташованих на поверхні. Цей інноваційний підхід відкриває нові можливості для створення потужних квантових комп'ютерів та забезпечення безпечного зв'язку.

Група дослідників з Інституту науки про світло імені Макса Планка (MPL) оголосила про значний прогрес у сфері квантової фізики. Вчені створили новаторський метод, який дозволяє вивчати окремі молекули на твердій поверхні з безпрецедентною точністю. Вперше в історії досліджень було доведено, що молекули на поверхні здатні досягати максимального рівня оптичної когерентності в квантовій фізиці, подолавши перешкоду, яка протягом багатьох років заважала розвитку нанотехнологій.

Результати дослідження були опубліковані в науковому виданні Science.

Світ сучасних квантових технологій ґрунтується на використанні крихітних об'єктів, таких як окремі атоми або молекули, здатні взаємодіяти зі світлом. Так звані квантові випромінювачі генерують окремі кванти світла (фотони), зберігають інформацію та забезпечують захищений зв'язок. Традиційно для стабілізації таких систем їх утримували у вакуумі або в товщі твердих матеріалів. Розміщення випромінювачів безпосередньо на поверхні надає величезну перевагу: вчені отримують можливість буквально "торкатися" молекул за допомогою ультраточних зондів, використовуючи сканувальну тунельну або атомно-силову мікроскопію.

Проте основною перешкодою завжди залишалися нестабільність та забрудненість поверхонь, які згубно впливають на делікатні квантові стани. Команда, очолювана професором Вахідом Сандогдаром, знайшла елегантне рішення цієї проблеми, скориставшись природним процесом сублімації — безпосереднім переходом твердих тіл у газоподібний стан, оминаючи рідку форму. Помістивши органічний кристалічний матеріал у кріостат за умов наднизьких температур, дослідники змогли поступово випаровувати верхні шари разом із усіма мікроскопічними забрудненнями.

Після цього процесу камеру охолодили до температури, що перевищує абсолютний нуль всього на кілька градусів (близько -270°C), що повністю зупинило сублімацію та забезпечило ідеальну чистоту поверхні. За допомогою мікропечі на цю бездоганну поверхню були нанесені молекули, що підлягають дослідженню. Як зазначив доктор Олексій Шкарін, співробітник інституту, якість таких квантових систем оцінюється за часом когерентності, тобто періодом, протягом якого молекула зберігає свою квантову природу.

У несприятливих умовах когерентність зникає миттєво. Проте на надчистій кристалічній поверхні молекули стабільно показували досягнення межі Фур'є — основної межі, яка залежить від швидкості вивільнення енергії в навколишнє середовище. Цей результат вперше був зафіксований для молекул, що знаходяться на поверхні.

Наступні дослідження виявили, що взаємодія з поверхнею може спрямовувати молекули в певні напрямки, а також змінювати їх енергетичні рівні і характеристику коливань.

Дослідницька команда має намір інтегрувати цю технологію з атомно-силовою мікроскопією, що забезпечить локальний контроль з точністю до нанометрів. Такий підхід відкриє нові горизонти для вивчення поведінки матерії на мікрорівні та дозволить створювати нові стани речовини, які можуть бути використані в майбутніх квантових мережах.