دانشمندان به حد نهایی کوانتومی روی یک سطح می رسند

دانشمندان مؤسسه ماکس پلانک برای علم نور (MPL) به پیشرفتی در فیزیک کوانتومی دست یافته اند و راهی برای مطالعه مولکول های منفرد روی یک سطح با دقت فوق العاده ای ایجاد کرده اند. برای اولین بار، محققان نشان دادند که مولکول‌های متصل به یک سطح می‌توانند به حد نهایی کوانتومی انسجام نوری برسند و بر یک مانع بزرگ غلبه کنند که مدت‌هاست تحقیقات کوانتومی مولکولی را محدود کرده است.

این یافته‌ها که در Science منتشر شده است، می‌تواند فرصت‌های جدیدی را برای بررسی نحوه تعامل مولکول‌ها با سطوح و توسعه فناوری‌های کوانتومی پیشرفته باز کند.

چرا سطوح یک مانع بزرگ در فیزیک کوانتومی بوده اند؟

بسیاری از فن‌آوری‌های کوانتومی نوظهور به اجسام بسیار کوچک، مانند اتم‌ها و مولکول‌های منفرد، که با نور تعامل دارند، وابسته هستند. این سیستم‌های کوچک که به عنوان گسیل‌کننده‌های کوانتومی شناخته می‌شوند، می‌توانند ذرات منفرد نور به نام فوتون را تولید کنند، اطلاعات کوانتومی را ذخیره کنند و به برقراری ارتباط کوانتومی بین سیستم‌های دور کمک کنند. این قابلیت ها برای کاربردهای آینده در محاسبات کوانتومی و ارتباطات کوانتومی ایمن مهم هستند.

برای مطالعه یک تابشگر کوانتومی، دانشمندان باید آن را ثابت نگه دارند و برای مدت طولانی در یک مکان محصور کنند. به طور سنتی، محققان این کار را با به دام انداختن اتم ها یا مولکول ها در خلاء یا جاسازی آنها در داخل مواد جامد انجام می دادند.

با این حال، قرار دادن ساطع کننده های کوانتومی به طور مستقیم بر روی یک سطح، یک مزیت جالب دارد. دانشمندان به طور بالقوه می توانند مولکول های منفرد را با "لمس کردن آنها" با یک کاوشگر بسیار تیز دستکاری کنند. تکنیک‌هایی مانند میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) در حال حاضر از نکاتی با دقت اتمی برای بررسی مواد در مقیاس‌های بسیار کوچک استفاده می‌کنند.

مشکل این است که سطوح به ندرت به اندازه آزمایش های کوانتومی تمیز و پایدار هستند. آلاینده‌های محیط اطراف می‌توانند روی آن‌ها جمع شوند و اختلالاتی ایجاد کنند که رفتار کوانتومی ظریف اتم‌ها و مولکول‌های مجاور را مختل می‌کند. تاکنون، محققان برای حفظ خواص نوری کوانتومی تابش‌های منفرد متصل به سطوح تلاش می‌کردند.

دانشمندان در بخش نانو اپتیک MPL اکنون راهی برای حل این مشکل پیدا کرده اند.

یک روش هوشمندانه تمیز کردن کریستال مشکل را حل می کند

تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور وحید صندوقدار، مدیر MPL و رئیس بخش "نانو اپتیک"، یک روش تمیز کردن غیرمعمول ایجاد کردند که از ویژگی طبیعی کریستال های آلی بهره می برد.

در دمای اتاق، مواد کریستالی به تدریج از طریق فرآیندی به نام تصعید تبخیر می‌شوند که در آن یک جامد مستقیما به گاز تبدیل می‌شود بدون اینکه ابتدا به مایع تبدیل شود.

محققان یک کریستال کوچک را در یک محفظه خلاء مجهز به دماهای بسیار پایین قرار دادند که کرایوستات نام دارد. همانطور که بالاترین لایه‌های کریستال به آرامی تبخیر می‌شوند، آلودگی‌های ناخواسته را از خود دور می‌کنند و سطح فوق‌العاده تمیزی را پشت سر می‌گذارند.

سپس این تیم کریستال را تا چند درجه کلوین بالاتر از صفر مطلق خنک کردند، یعنی پایین‌ترین دمای ممکن از لحاظ نظری. این خنک کننده شدید، تصعید بیشتر را متوقف کرد و به حفظ سطح بکر کمک کرد.

در نهایت، دانشمندان از یک اجاق کوچک ساخته شده برای تبخیر مولکول‌ها روی کریستال سرد استفاده کردند و به آنها اجازه می‌دهد روی سطح تمیز بنشینند.

با وجود این محیط فوق العاده پایدار، محققان می توانند بررسی کنند که آیا مولکول ها خواص کوانتومی شکننده خود را حفظ کرده اند یا خیر.

دکتر الکسی شارین، محقق در بخش نانو اپتیک در MPL، توضیح داد: "کیفیت ساطع کننده های کوانتومی را می توان با زمان انسجام آنها ارزیابی کرد، که نشان می دهد تا چه مدت کوانتومی خود را حفظ می کنند."

زمان انسجام توصیف می کند که یک سیستم کوانتومی چه مدت می تواند خواص مورد نیاز برای رفتار کوانتومی را حفظ کند. هر چه این انسجام بیشتر باقی بماند، تابشگر می تواند در کاربردهایی که به تعامل دقیق با نور بستگی دارد، بهتر عمل کند.

با این حال، یک محدودیت فیزیکی اساسی در مورد مدت زمان ماندگاری انسجام وجود دارد. این مرز که به عنوان حد فوریه شناخته می شود، با زمان مورد نیاز برای انتشار انرژی یک تابشگر کوانتومی به محیط اطراف خود تعیین می شود.

در یک محیط ناپایدار یا "پر سر و صدا"، اختلالات می توانند صدها یا حتی هزاران بار سریعتر از حد تئوریکی که اجازه می دهد باعث از بین رفتن انسجام شوند.

دانشمندان کشف کردند که مولکول‌هایی که بر روی سطح کریستالی فوق‌العاده تمیز خود رسوب می‌کنند، به طور مداوم به حد فوریه می‌رسند. این نشان داد که محیط اطراف به اندازه کافی ساکت و پایدار است تا انسجام کوانتومی مولکول ها را برای حداکثر مدت زمان مجاز فیزیکی حفظ کند.

این اولین بار است که محققان با مولکول های متصل به یک سطح به این حد اساسی دست یافته اند.

امکانات جدید برای کنترل مولکول های فردی

این پیشرفت همچنین به تیم اجازه داد تا بررسی کنند که چگونه یک سطح کریستال بر مولکول های قرار گرفته بر روی آن تأثیر می گذارد.

آزمایش‌های بیشتر نشان داد که برهم‌کنش‌ها با سطح می‌تواند باعث شود که مولکول‌ها در جهت‌های خاصی قرار بگیرند و سطح انرژی آنها را تغییر دهند. محققان همچنین نشانه هایی یافتند که سطح ممکن است بر شکل مولکول ها یا روش های ارتعاش آنها تأثیر بگذارد.

این اثرات می‌توانند سرنخ‌های ارزشمندی در مورد نحوه رفتار ماده در مقیاس مولکولی ارائه دهند، در حالی که فرصت‌های جدیدی را برای کنترل سیستم‌های کوانتومی ارائه می‌دهند.

وحید صندوقدار می‌گوید: «کار آینده ما بر ترکیب این روش با AFM و STM برای به دست آوردن کنترل نانومتری محلی بر روی تابش‌کنندگان کوانتومی منفرد متمرکز خواهد بود.

محققان امیدوارند با ترکیب تکنیک سطح فوق‌العاده تمیز خود با روش‌های میکروسکوپی قدرتمند بتوانند تابشگرهای کوانتومی را با دقت اندازه‌گیری شده در میلیاردم متر دستکاری کنند.

چنین قابلیت‌هایی می‌تواند جزئیات غیرقابل دسترس قبلی را در مورد برهم‌کنش‌های بین مولکول‌ها و سطوح آشکار کند، در حالی که زمینه را برای مهندسی حالت‌های کوانتومی جدید ماده و پیشرفت فناوری‌های کوانتومی مولکولی آینده فراهم می‌کند.

مواد ارائه شده توسط موسسه ماکس پلانک برای علم نور. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

چه چیزی گربه شرودینگر را می کشد؟ دانشمندان به تازگی یک نظریه 60 ساله را رد کردند

بقایای رادیواکتیو چرنوبیل انتظارات دانشمندان را 40 سال بعد نادیده می گیرد

دانشمندان فلزاتی را کشف کردند که در دمای خیره کننده -424 درجه فارنهایت از شکستن خودداری می کنند

اتفاقی غیرمنتظره برای صخره های یخی در حال فروپاشی قطب جنوب رخ می دهد