Forskare vid Max Planck Institute for the Science of Light och Friedrich Alexander University i Erlangen, Tyskland har nyligen visat att en molekyl kan förvandlas till ett sammanhängande kvantsystem med två nivåer. I deras studie, publicerad i Naturfysik , de placerade en organisk molekyl inuti en optisk mikrokavitet och fann att den uppförde sig som ett sammanhängande kvantsystem med två nivåer.

"Organiska molekyler har studerats och tillämpats i olika sammanhang i många decennier, "Vahid Sandoghdar, chefen för forskargruppen, berättade för Phys.org. "Vår forskargrupp har varit intresserad av att använda dem i kvantoptiska mätningar, som traditionellt har gjorts på atomer i en vakuumkammare. "

Sandoghar och hans kollegor fann att en organisk molekyl placerad i en optisk mikrokavitet faktiskt beter sig som ett sammanhängande tvånivåskvantsystem. Detta gjorde det möjligt för forskarna att släcka 99% av en laserstråle med en enda molekyl.

Den anmärkningsvärda effektiviteten av denna interaktion innebar också att de kunde mätta en molekyl med cirka endast 0,5 foton, medan man vanligtvis kräver en avsevärd mängd kraft för att uppnå mättnad. Den olinjära karaktären av denna effekt manifesterades också i icke-klassisk generation av några fotoner av superbuntat ljus.

"Den stora fördelen med vårt system är att en enda molekyl sitter på exakt samma plats i sin omgivande kristall i dagar och veckor, medan en enda atom vanligtvis hålls på tidsskalor av endast storleksordningen sekunder, "sa Daqing Wang, som forskar om detta projekt.

En enskild molekyl har flera vibrationsenerginivåer, som tillhandahåller flera sönderfallskanaler för dess upphetsade tillstånd. För att göra en molekyl till ett kvantsystem på två nivåer, forskarna var tvungna att påskynda en av dessa övergångar i en sådan omfattning att molekylens sönderfallshastighet till de andra nivåerna skulle bli försumbar. Med andra ord, denna process hindrade molekylen från att förfalla till nivåer som forskarna inte ville att den skulle gå till.

"För att få detta att hända, vi har inneslutit molekylen i ett hålrum bestående av två speglar åtskilda med ett mycket litet avstånd i storleksordningen en mikrometer, "Wang förklarade." Valet av övergången är resonant med hålrummet så att en foton kan gå fram och tillbaka många gånger, i vårt fall flera tusen gånger. "

Forskarna utförde sitt experiment på cirka 2 Kelvin, för att säkerställa att termiska omrörningar av kristallen inte påverkade dess interaktion med laserljuset. Förutom att visa att en molekyl kan fungera som ett sammanhängande kvantsystem med två nivåer, de visade att deras molekyl-mikrokavitetssystem kunde interagera med enstaka fotoner genererade av en andra molekyl i ett avlägset laboratorium.

"Kvantmekaniska system är byggstenar i det framväxande området för kvantteknik, men de kan lätt förlora sin kvantitet, "Sandoghdar sa." Drömmen är att koppla ihop många kvantmekaniska system på ett sätt så att deras sköra kvantmekaniska interaktioner bevaras. Vårt arbete visar att en organisk molekyl, som vanligtvis förknippas med fluorescensmikroskopi i biologi eller med färger på en T-shirt, kan göra vad man förväntar sig av ett idealiskt kvantmekaniskt system. "

I framtiden, studien utförd av forskargruppen vid Max Planck Institute kan möjliggöra utveckling av linjära och olinjära kvantfotoniska kretsar baserade på organiska plattformar.

"Det vi har visat hittills är att vi verkligen kan interagera en enda foton med en enda molekyl på ett effektivt sätt, "Sandoghdar sa." Vi arbetar nu med att göra det på ett chip och sedan utöka det till en kvantfotonisk krets, där många molekyler är anslutna via nanoskopiska vågledare. "

© 2019 Science X Network