Cientistas atingem o limite quântico final em uma superfície

As descobertas, publicadas em Ciênciapoderia abrir novas possibilidades para investigar como as moléculas interagem com superfícies e desenvolver tecnologias quânticas avançadas.

Por que as superfícies têm sido um grande obstáculo na física quântica

Muitas tecnologias quânticas emergentes dependem de objetos extremamente pequenos, como átomos e moléculas individuais, que interagem com a luz. Conhecidos como emissores quânticos, esses minúsculos sistemas podem produzir partículas únicas de luz chamadas fótons, armazenar informações quânticas e ajudar a estabelecer conexões quânticas entre sistemas distantes. Esses recursos são importantes para aplicações futuras em computação quântica e comunicação quântica segura.

Para estudar um único emissor quântico, os cientistas devem mantê-lo estável e confinado a um local durante longos períodos. Tradicionalmente, os pesquisadores conseguem isso prendendo átomos ou moléculas no vácuo ou incorporando-os em materiais sólidos.

Colocar emissores quânticos diretamente em uma superfície, entretanto, oferece uma vantagem intrigante. Os cientistas poderiam potencialmente manipular moléculas individuais “tocando-as” com uma sonda extremamente afiada. Técnicas como microscopia de varredura por tunelamento (STM) e microscopia de força atômica (AFM) já usam pontas com precisão atômica para investigar matéria em escalas incrivelmente pequenas.

A dificuldade é que as superfícies raramente são tão limpas e estáveis ​​quanto os experimentos quânticos exigem. Contaminantes do ambiente circundante podem acumular-se sobre eles, criando distúrbios que interferem no delicado comportamento quântico de átomos e moléculas próximos. Até agora, os investigadores tinham lutado para preservar as propriedades ópticas quânticas de emissores individuais ligados a superfícies.

Cientistas da Divisão de Nano-Óptica da MPL encontraram agora uma maneira de contornar este problema.

Um método inteligente de limpeza de cristais resolve o problema

A equipe de pesquisa, liderada pelo Prof. Vahid Sandoghdar, diretor da MPL e chefe da Divisão “Nano-Óptica”, desenvolveu um método de limpeza incomum que aproveita uma propriedade natural dos cristais orgânicos.

À temperatura ambiente, o material cristalino evapora gradualmente através de um processo conhecido como sublimação, no qual um sólido se transforma diretamente em gás sem primeiro se tornar líquido.

Os pesquisadores colocaram um pequeno cristal dentro de uma câmara de vácuo equipada para temperaturas extremamente baixas, chamada criostato. À medida que as camadas superiores do cristal evaporavam lentamente, elas carregavam contaminantes indesejados, deixando para trás uma superfície notavelmente limpa.

A equipe então resfriou o cristal a apenas alguns graus Kelvin acima do zero absoluto, a temperatura teoricamente mais baixa possível. Este resfriamento extremo interrompeu a sublimação e ajudou a manter a superfície imaculada.

Finalmente, os cientistas usaram um pequeno forno especialmente fabricado para evaporar as moléculas no cristal frio, permitindo-lhes assentar na superfície limpa.

Moléculas atingem o limite quântico final

Com este ambiente excepcionalmente estável, os investigadores poderiam investigar se as moléculas mantinham as suas frágeis propriedades quânticas.

Alexey Shkarin, pesquisador da Divisão de Nano-Óptica da MPL, explicou: “A qualidade dos emissores quânticos pode ser avaliada por seus tempos de coerência, que indicam por quanto tempo eles mantêm sua quantumidade”.

O tempo de coerência descreve quanto tempo um sistema quântico pode manter as propriedades necessárias para o comportamento quântico. Quanto mais tempo essa coerência persistir, melhor será o desempenho do emissor em aplicações que dependem de interações precisas com a luz.

No entanto, existe uma restrição física fundamental sobre quanto tempo a coerência pode durar. Conhecido como limite de Fourier, esse limite é determinado pelo tempo necessário para um emissor quântico liberar sua energia no ambiente.

Num ambiente instável ou “ruidoso”, as perturbações podem fazer com que a coerência desapareça centenas ou mesmo milhares de vezes mais rápido do que este limite teórico permite.

Os cientistas descobriram que as moléculas depositadas na sua superfície cristalina excepcionalmente limpa atingiam consistentemente o limite de Fourier. Isto demonstrou que o ambiente circundante era suficientemente calmo e estável para preservar a coerência quântica das moléculas durante a duração máxima fisicamente permitida.

É a primeira vez que os investigadores alcançam este limite fundamental com moléculas ligadas a uma superfície.

Novas possibilidades para controlar moléculas individuais

A descoberta também permitiu à equipe investigar como uma superfície de cristal influencia as moléculas que nela repousam.

Outras experiências revelaram que as interações com a superfície podem fazer com que as moléculas se alinhem em direções específicas e alterem os seus níveis de energia. Os pesquisadores também encontraram indicações de que a superfície pode influenciar o formato das moléculas ou a forma como elas vibram.

Estes efeitos poderão fornecer pistas valiosas sobre como a matéria se comporta à escala molecular, ao mesmo tempo que oferecem novas oportunidades para controlar sistemas quânticos.

“Nosso trabalho futuro se concentrará na combinação deste método com AFM e STM para obter controle nanométrico local sobre emissores quânticos individuais”, diz Vahid Sandoghdar.

Ao combinar sua técnica de superfície ultralimpa com métodos poderosos de microscopia, os pesquisadores esperam manipular emissores quânticos individuais com precisão medida em bilionésimos de metro.

Essas capacidades poderiam revelar detalhes anteriormente inacessíveis sobre as interações entre moléculas e superfícies, ao mesmo tempo que estabelecem as bases para a engenharia de novos estados quânticos da matéria e o avanço de futuras tecnologias quânticas moleculares.