Превращение органической молекулы в когерентную двухуровневую квантовую систему

Исследователи из Института Науки Света Макса Планка и Университета им. Фридриха Александра в Эрлангене, Германия, недавно продемонстрировали, что молекулу можно превратить в когерентную двухуровневую квантовую систему. В своем исследовании, опубликованном в Nature Physics, они поместили органическую молекулу в оптическую микрополость и обнаружили, что она ведет себя как когерентная двухуровневая квантовая система.

«Органические молекулы изучались и применялись в различных контекстах на протяжении многих десятилетий», — сказал Physh.org Вахид Сандогдар, руководитель исследовательской группы. «Наша исследовательская группа была заинтересована в использовании их в квантово-оптических измерениях, которые традиционно проводились на атомах в вакуумной камере».

Сандогар и его коллеги обнаружили, что органическая молекула, помещенная в оптическую микрополость, фактически ведет себя как когерентная двухуровневая квантовая система. Это позволило исследователям погасить 99% лазерного луча одной молекулой.

Замечательная эффективность этого взаимодействия также означала, что они могли насыщать молекулу только примерно на 0,5 фотона, тогда как обычно требуется значительное количество энергии для достижения насыщения. Нелинейная природа этого эффекта проявлялась и в неклассической генерации нескольких фотонов сверхсгусточного света.

«Большим преимуществом нашей системы является то, что одна молекула находится в одном и том же месте в окружающем ее кристалле в течение нескольких дней и недель, тогда как один атом обычно держится на временных масштабах порядка нескольких секунд», — сказал Дацин Ван, который делал докторские исследования по этому проекту.

Превращение органической молекулы в когерентную двухуровневую квантовую систему

Влияние отдельной молекулы на спектр пропускания резонатора. Частота резонатора была настроена на молекулярную частоту (1-12). Когда молекула находится в резонансе с полостью (см. 7, 8), она полностью блокирует пропускание полости, т.е. она работает как почти идеальное зеркало. Предоставлено: Wang et al.

Отдельная молекула имеет несколько уровней энергии колебаний, которые обеспечивают множество каналов распада для своего возбужденного состояния. Чтобы превратить молекулу в двухуровневую квантовую систему, исследователи должны были ускорить один из этих переходов до такой степени, что скорость распада молекулы на другие уровни станет незначительной. Другими словами, этот процесс предотвратил распад молекулы до уровней, на которые исследователи не хотели, чтобы она пошла.

«Чтобы это произошло, мы поместили молекулу в полость, состоящую из двух зеркал, разделенных очень маленьким расстоянием порядка одного микрометра», — объяснил Ван. «Переход выбора резонирует с полостью, так что фотон может перемещаться взад и вперед много раз, в нашем случае несколько тысяч раз».

Исследователи провели свой эксперимент при температуре около 2 Кельвинов, чтобы убедиться, что тепловое возбуждение кристалла не влияет на его взаимодействие с лазерным светом. Помимо демонстрации того, что молекула может действовать как когерентная двухуровневая квантовая система, они продемонстрировали, что их система молекула-микрорезонатор может взаимодействовать с одиночными фотонами, генерируемыми второй молекулой в отдаленной лаборатории.

«Квантово-механические системы являются строительными блоками новой области квантовой инженерии, но они могут легко потерять свою квантовость», — сказал Сандогдар. «Мечта состоит в том, чтобы соединить многие квантово- механические системы таким образом, чтобы их хрупкие квантово-механические взаимодействия были сохранены. Наша работа показывает, что органическая молекула, которая обычно связана с флуоресцентной микроскопией в биологии или с цветами футболки, может делай то, что ожидаешь от идеальной квантово-механической системы «.

В будущем исследование, проведенное группой исследователей из Института Макса Планка, могло бы позволить разработку линейных и нелинейных квантовых фотонных схем на основе органических платформ.

«То, что мы пока показали, — это то, что мы действительно можем эффективно взаимодействовать с одним фотоном с одной молекулой», — сказал Сандогдар. «Сейчас мы работаем над тем, чтобы сделать это на чипе, а затем распространить его на квантовую фотонную цепь, где многие молекулы связаны через наноскопические волноводы».

Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-molecule-coherent-two-level-quantum.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...