Учёные из Института Макса Планка по науке света (MPL) достигли прорыва в квантовой физике: удалось впервые исследовать отдельные молекулы на поверхности с необычайной точностью и продемонстрировать, что молекулы, прикреплённые к поверхности, достигают предельной квантовой когерентности света. Результаты публикуются в Science и обещают открыть новые горизонты для понимания взаимодействий молекул с поверхностями и развития квантовых технологий.

Ключевая задача в квантовой оптике — работать с единичными квантовыми эмиттерами, такими как отдельные атомы и молекулы, способными генерировать фотоны, сохранять квантовую информацию и обеспечивать квантовые связи между удалёнными системами. Чтобы изучать эмиттер на поверхности, исследователи должны удерживать его в стабильном состоянии и локализации на протяжении длительного времени. До настоящего момента источниками проблемы считались поверхности, которые не всегда чистые и стабильные, что мешало сохранению квантовых свойств молекул.

Метод, позволивший overcoming этих препятствий, связан с необычным способом очистки поверхности с использованием естественных свойств органических кристаллов. В MPL разработали процедуру, когда кристаллический образец в вакуумной камере с криостатом подвергается управляемой сублимации: верхние слои кристалла испаряются и выносят из камеры примеси, оставляя поверхность исключительно чистой. Затем кристалл охлаждают всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, чтобы прекратить дальнейшую сублимацию и сохранить чистую поверхность. Наконец, на холодную очищенную поверхность насылаются молекулы с помощью небольшого специально изготовленного нагревателя.

После подготовки поверхность стала чрезвычайно стабильной, что позволило исследовать сохранность квантовых свойств молекул. Авторы подтвердили, что молекулы, нанесённые на такую чистую кристаллическую поверхность, достигают так называемого предельного значения по времени когерентности — Fourier-ограничения. Это означает, что окружение достаточно тихое и стабилизирующее, чтобы сохранить квантовую когерентность на максимально физически разрешённой продолжительности.

Помимо главного достижения, работа раскрыла, как поверхность кристалла влияет на молекулы: экспериментальные данные показывают, что взаимодействия с поверхностью могут выравнивать молекулы по определённым направлениям и изменять их энергетические уровни. Есть намёки на влияние поверхности на форму молекул или их вибрационные режимы, что может дать новые зацепки для понимания поведения вещества на молекулярном масштабе и открыть дополнительные способы управления квантовыми системами.

Перспективы дальнейших работ включают комбинирование такого сверхчистого метода с методами AFM и STM для локального нанометрового контроля над отдельными квантовыми эмиттерами. Соединение точности поверхности и мощных микроскопических техник обещает управлять единичными эмиттерами с точностью до миллиардной доли метра и позволить получать ранее недоступные детали взаимодействий молекул с поверхностями, что станет основой для создания новых квантовых состояний материи и последующих молекулярных технологий.