Rekordní spektrální rozlišení: Vědcům z Německa se podařilo přimět jedinou molekulu na povrchu krystalu, aby se chovala jako ideální kvantový zdroj světla

Rekordní rozlišení: Šířka čáry v nanoelektronvoltech

Vědci naměřili spektrální šířku čáry přibližně 80 nanoelektronvoltů (neV) . Pro představu – je to zhruba 80 miliardtin elektronvoltu. Tato hodnota je v naprostém souladu s tzv. Fourierovou limitou, což znamená, že šířka čáry je dána již jen základním kvantově-mechanickým principem – dobou života molekuly v excitovaném stavu. Šířka čáry již není rozšířena vlivem okolního prostředí, což je svatý grál pro spektroskopii [1, 8].

Co to znamená pro kvantové technologie?

Dosáhnout Fourierovy limity u molekuly na povrchu není jen akademický rekord. Otevírá to dveře k praktickým aplikacím:

• Ideální zdroje jednotlivých fotonů: Molekula na této úrovni dokáže na povel emitovat naprosto stejné, nerozlišitelné fotony. To je klíčové pro kvantovou komunikaci a kvantové výpočty, kde je potřeba, aby se fotony vzájemně ovlivňovaly a vytvářely kvantové provázání [7, 8, 28].
• Stabilní a dlouhověké emitery: Molekula je pevně ukotvena v krystalu, což ji chrání před vnějšími vlivy a umožňuje s ní pracovat po velmi dlouhou dobu – v chladu i několik let [7, 28].
• Spektroskopie s nebývalou přesností: Vědci nyní mohou studovat, jak samotný povrch ovlivňuje orientaci a energetické hladiny molekul, a to s rozlišením, které dříve nebylo možné [1, 8].

Budoucnost: Spojení s mikroskopií atomárních sil (AFM) a rastrovací tunelovou mikroskopií (STM)

Nejlákavější vyhlídkou je propojení této optické techniky s rastrovacími mikroskopy (AFM a STM), které umožňují s atomárním rozlišením nejen vidět, ale i manipulovat s jednotlivými atomy a molekulami [2, 6, 8].

Kombinace by umožnila:

• Lokální řízení vlastností kvantového emitoru pomocí hrotu mikroskopu [2, 6].
• Mapování interakcí mezi molekulou a povrchem s dosud nevídaným prostorovým a spektrálním rozlišením [2, 6, 8].
• Nové hybridní platformy pro inženýrství molekulárních kvantových stavů [2, 6, 8].

Tým z MPL tuto vizi explicitně zmiňuje: „Přirozeným dalším krokem je zkombinovat tuto molekulární platformu s metodami rastrovací sondy“ .

Souvislosti

Je důležité poznamenat, že jiné techniky, jako je STM-spektroskopie, již dříve dosáhly atomárního rozlišení a manipulace s molekulami. Měly však omezené spektrální rozlišení (typicky v meV). Nový optický přístup naopak přináší extrémní spektrální přesnost (neV) a je s nimi komplementární [2, 6, 8].

Závěr: Jednoduchý trik – nechat antracenový krystal, aby se sám očistil sublimací – vytvořil povrch natolik čistý, že se na něm jediná molekula chová jako ideální kvantový zdroj světla. Šířka čáry v nanoelektronvoltech je prvním případem, kdy bylo dosaženo fundamentální kvantové meze pro molekulu na povrchu. Technika pokládá základy pro novou generaci experimentů v molekulárních kvantových technologiích a její integrace s rastrovacími sondami je na dosah.