Onderzoekers van het Max Planck Institute for the Science of Light en de Friedrich Alexander University in Erlangen, Duitsland heeft onlangs aangetoond dat een molecuul kan worden omgezet in een coherent kwantumsysteem met twee niveaus. In hun studie hebben gepubliceerd in Natuurfysica , ze plaatsten een organisch molecuul in een optische microholte en ontdekten dat het zich gedroeg als een coherent kwantumsysteem met twee niveaus.

"Organische moleculen zijn al tientallen jaren bestudeerd en toegepast in verschillende contexten, "Vahid Sandoghdar, het hoofd van het onderzoeksteam, vertelde Phys.org. "Onze onderzoeksgroep was geïnteresseerd in het gebruik ervan in kwantumoptische metingen, die traditioneel zijn gedaan op atomen in een vacuümkamer."

Sandoghar en zijn collega's ontdekten dat een organisch molecuul dat in een optische microholte is geplaatst, zich feitelijk gedraagt ​​als een coherent kwantumsysteem met twee niveaus. Hierdoor konden de onderzoekers 99% van een laserstraal doven met een enkel molecuul.

De opmerkelijke efficiëntie van deze interactie betekende ook dat ze een molecuul konden verzadigen met ongeveer 0,5 foton, terwijl men meestal een aanzienlijke hoeveelheid vermogen nodig heeft om verzadiging te bereiken. De niet-lineaire aard van dit effect kwam ook tot uiting in de niet-klassieke generatie van een paar fotonen superbundels licht.

"Het grote voordeel van ons systeem is dat een enkel molecuul dagen en weken op exact dezelfde plaats in het omringende kristal zit, terwijl een enkel atoom gewoonlijk slechts op tijdschalen in de orde van seconden wordt gehouden, " zei Daqing Wang, die op dit project zijn promotieonderzoek deed.

Een individueel molecuul heeft verschillende vibratie-energieniveaus, die meerdere vervalkanalen bieden voor de aangeslagen toestand. Om van een molecuul een kwantumsysteem met twee niveaus te maken, de onderzoekers moesten een van deze overgangen zo versnellen dat de vervalsnelheid van het molecuul naar de andere niveaus verwaarloosbaar zou worden. Met andere woorden, dit proces verhinderde dat het molecuul vervalt tot niveaus waar de onderzoekers niet heen wilden.

"Om dit mogelijk te maken, we hebben het molecuul ingesloten in een holte die bestaat uit twee spiegels, gescheiden door een zeer kleine afstand in de orde van één micrometer, Wang legde uit. "De overgang van keuze resoneert met de holte, zodat een foton vele malen heen en weer kan gaan, in ons geval enkele duizenden keren."

De onderzoekers voerden hun experiment uit bij ongeveer 2 Kelvin, om ervoor te zorgen dat thermische trillingen van het kristal de interactie met het laserlicht niet beïnvloedden. Naast het aantonen dat een molecuul kan fungeren als een coherent kwantumsysteem op twee niveaus, ze toonden aan dat hun molecuul-microholtesysteem zou kunnen interageren met enkele fotonen die worden gegenereerd door een tweede molecuul in een afgelegen laboratorium.

"Kwantummechanische systemen zijn bouwstenen van het opkomende gebied van kwantumtechniek, maar ze kunnen gemakkelijk hun kwantumiteit verliezen, "Sandoghdar zei. "De droom is om veel kwantummechanische systemen zo aan te sluiten dat hun fragiele kwantummechanische interacties behouden blijven. Ons werk laat zien dat een organisch molecuul, wat meestal wordt geassocieerd met fluorescentiemicroscopie in de biologie of met kleuren van een T-shirt, kan doen wat men verwacht van een ideaal kwantummechanisch systeem."

In de toekomst, de studie uitgevoerd door het team van onderzoekers van het Max Planck Instituut zou de ontwikkeling van lineaire en niet-lineaire kwantumfotonische circuits op basis van organische platforms mogelijk maken.

"Wat we tot nu toe hebben laten zien, is dat we een enkel foton echt op een efficiënte manier kunnen laten interageren met een enkel molecuul, "Sandoghdar zei. "We werken er nu aan om dat op een chip te doen en deze vervolgens uit te breiden naar een kwantumfotonisch circuit, waar veel moleculen zijn verbonden via nanoscopische golfgeleiders."

© 2019 Wetenschap X Netwerk