Исследователи Института Макса Планка по изучению света создали сверхчистую поверхность кристалла, на которой отдельные молекулы сохраняли квантовую когерентность на фундаментальном фурье-пределе. Такой результат впервые удалось получить для молекул, размещённых непосредственно на поверхности.
Молекулы на поверхности проще изучать и контролировать, чем объекты внутри твёрдого материала или в вакууме. Однако загрязнения создают нестабильное окружение, из-за которого быстро нарушаются хрупкие квантовые свойства. Работа учёных опубликована в журнале Science.
Для эксперимента специалисты использовали органический кристалл, который медленно испаряется при комнатной температуре. Небольшой образец поместили в криостат с вакуумом, где верхние слои кристалла постепенно удалялись вместе с загрязнениями. Затем его охладили до температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, остановив дальнейшее испарение, и нанесли молекулы на очищенную поверхность с помощью микрофабричной печи.
Получившееся окружение оказалось достаточно стабильным для сохранения квантовых свойств молекул. Учёные оценивали их качество по времени когерентности — периоду, в течение которого система сохраняет квантовое состояние. Этот показатель ограничен фурье-пределом, связанным со скоростью передачи энергии молекулы окружающей среде, а шум обычно сокращает его в сотни и даже тысячи раз.
На чистой поверхности с подходящей молекулярной структурой исследуемые объекты стабильно достигали фурье-предела. Кроме того, поверхность влияла на поведение молекул: задавала их ориентацию, изменяла энергию и могла воздействовать на форму или характер колебаний.
В дальнейшем группа под руководством директора Института Макса Планка Вахида Сандогдара планирует объединить разработанный метод с атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопией. Это может обеспечить нанометровый контроль над отдельными квантовыми излучателями и помочь изучать свойства поверхностей, а также создавать новые квантовые состояния вещества.