Gør et organisk molekyle til et sammenhængende kvantesystem på to niveauer

Forskere ved Max Planck Institute for the Science of Light og Friedrich Alexander University i Erlangen, Tyskland har for nylig demonstreret, at et molekyle kan omdannes til et sammenhængende kvantesystem på to niveauer. I deres undersøgelse, udgivet i Naturfysik , de placerede et organisk molekyle inde i en optisk mikrokavitet og fandt ud af, at det opførte sig som et sammenhængende kvantesystem på to niveauer.

"Organiske molekyler er blevet undersøgt og anvendt i forskellige sammenhænge i mange årtier, "Vahid Sandoghdar, lederen af ​​forskergruppen, fortalte Phys.org. "Vores forskningsgruppe har været interesseret i at bruge dem til kvanteoptiske målinger, som traditionelt er blevet udført på atomer i et vakuumkammer. "

Sandoghar og hans kolleger fandt ud af, at et organisk molekyle placeret i en optisk mikrokavitet faktisk opfører sig som et sammenhængende kvantesystem på to niveauer. Dette gjorde det muligt for forskerne at slukke 99% af en laserstråle med et enkelt molekyle.

Den bemærkelsesværdige effektivitet af denne interaktion betød også, at de kunne mætte et molekyle med omkring kun 0,5 foton, der henviser til, at man normalt kræver en betydelig mængde strøm for at opnå mætning. Den ikke-lineære karakter af denne effekt kom også til udtryk i ikke-klassisk frembringelse af et par fotoner af superbunket lys.

"Den store fordel ved vores system er, at et enkelt molekyle sidder på nøjagtig samme sted i dets omgivende krystal i dage og uger, der henviser til, at et enkelt atom normalt kun holdes på tidsskalaer i størrelsesordenen sekunder, "sagde Daqing Wang, der forskede i dette projekt.

Et individuelt molekyle har flere vibrationsenerginiveauer, som giver flere henfaldskanaler for sin ophidsede tilstand. For at gøre et molekyle til et kvantesystem på to niveauer, forskerne måtte fremskynde en af ​​disse overgange i en sådan grad, at molekylets henfaldshastighed til de andre niveauer ville blive ubetydelig. Med andre ord, denne proces forhindrede molekylet i at forfalde til niveauer, som forskerne ikke ønskede, at det skulle gå til.

"For at få dette til at ske, vi har lukket molekylet i et hulrum bestående af to spejle adskilt med en meget lille afstand i størrelsesordenen ét mikrometer, "Wang forklarede." Valgovergangen er resonant med hulrummet, så en foton kan gå frem og tilbage mange gange, i vores tilfælde flere tusinde gange. "

Forskerne udførte deres forsøg på omkring 2 Kelvin, for at sikre, at termiske omrøring af krystallen ikke påvirker dets interaktion med laserlyset. Udover at vise, at et molekyle kan fungere som et sammenhængende kvantesystem på to niveauer, de demonstrerede, at deres molekyle-mikrokavitetssystem kunne interagere med enkelte fotoner genereret af et andet molekyle i et fjernt laboratorium.

"Kvantemekaniske systemer er byggesten i det nye kvantetekniske område, men de kan let miste deres kvantitet, "Sandoghdar sagde." Drømmen er at opbygge mange kvantemekaniske systemer på en måde, så deres skrøbelige kvantemekaniske interaktioner bevares. Vores arbejde viser, at et organisk molekyle, som normalt er forbundet med fluorescensmikroskopi i biologi eller med farver på en T-shirt, kan gøre, hvad man forventer af et ideelt kvantemekanisk system. "

I fremtiden, undersøgelsen udført af forskerteamet ved Max Planck Institute kunne muliggøre udvikling af lineære og ikke -lineære kvantefotoniske kredsløb baseret på organiske platforme.

"Det, vi hidtil har vist, er, at vi virkelig kan interagere en enkelt foton med et enkelt molekyle på en effektiv måde, "Sagde Sandoghdar." Vi arbejder nu på at gøre det på en chip og derefter udvide det til et kvantefotonisk kredsløb, hvor mange molekyler er forbundet via nanoskopiske bølgeledere. "

© 2019 Science X Network