Crédito:Dominik Rattenbacher
Investigadores del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz y la Universidad Friedrich Alexander en Erlangen, Alemania ha demostrado recientemente que una molécula se puede convertir en un sistema cuántico coherente de dos niveles. En su estudio, publicado en Física de la naturaleza , colocaron una molécula orgánica dentro de una microcavidad óptica y descubrieron que se comportaba como un sistema cuántico coherente de dos niveles.
"Las moléculas orgánicas se han estudiado y aplicado en diversos contextos durante muchas décadas, "Vahid Sandoghdar, el jefe del equipo de investigación, dijo Phys.org. "Nuestro grupo de investigación se ha interesado en utilizarlos en medidas ópticas cuánticas, que tradicionalmente se han realizado en átomos en una cámara de vacío ".
Sandoghar y sus colegas encontraron que una molécula orgánica colocada en una microcavidad óptica en realidad se comporta como un sistema cuántico coherente de dos niveles. Esto permitió a los investigadores extinguir el 99% de un rayo láser con una sola molécula.
La notable eficiencia de esta interacción también significaba que podían saturar una molécula con aproximadamente 0,5 fotones, mientras que normalmente se requiere una cantidad considerable de energía para lograr la saturación. La naturaleza no lineal de este efecto también se manifestó en la generación no clásica de unos pocos fotones de luz súper agrupada.
"La gran ventaja de nuestro sistema es que una sola molécula se encuentra exactamente en el mismo lugar en el cristal circundante durante días y semanas, mientras que un solo átomo generalmente se mantiene en escalas de tiempo del orden de segundos solamente, "dijo Daqing Wang, quien hizo su investigación doctoral sobre este proyecto.
El efecto de una sola molécula en el espectro de transmisión de la cavidad. La frecuencia de la cavidad se sintonizó a través de la frecuencia molecular (1-12). Cuando la molécula está en resonancia con la cavidad (ver 7, 8), bloquea completamente la transmisión de la cavidad, es decir., funciona como un espejo casi perfecto. Crédito:Wang et al.
Una molécula individual tiene varios niveles de energía vibratoria, que proporcionan múltiples canales de desintegración para su estado excitado. Para convertir una molécula en un sistema cuántico de dos niveles, los investigadores tuvieron que acelerar una de estas transiciones hasta tal punto que la tasa de desintegración de la molécula a los otros niveles se volvería insignificante. En otras palabras, este proceso evitó que la molécula se descompusiera a niveles a los que los investigadores no querían que llegara.
"Para que esto suceda, hemos encerrado la molécula en una cavidad que consta de dos espejos separados por una distancia muy pequeña del orden de un micrómetro, "Wang explicó." La transición de elección es resonante con la cavidad de modo que un fotón puede ir y venir muchas veces, en nuestro caso, varios miles de veces ".
Los investigadores llevaron a cabo su experimento a aproximadamente 2 Kelvin, para asegurar que las agitaciones térmicas del cristal no afectaran su interacción con la luz láser. Además de mostrar que una molécula puede actuar como un sistema cuántico coherente de dos niveles, demostraron que su sistema molécula-microcavidad podía interactuar con fotones individuales generados por una segunda molécula en un laboratorio distante.
"Los sistemas de mecánica cuántica son componentes básicos del campo emergente de la ingeniería cuántica, pero pueden perder fácilmente su quantumness, ", Dijo Sandoghdar." El sueño es conectar muchos sistemas de mecánica cuántica de manera que se conserven sus frágiles interacciones de la mecánica cuántica. Nuestro trabajo muestra que una molécula orgánica, que generalmente se asocia con la microscopía de fluorescencia en biología o con los colores de una camiseta, puede hacer lo que uno espera de un sistema mecánico cuántico ideal ".
En el futuro, El estudio realizado por el equipo de investigadores del Instituto Max Planck podría permitir el desarrollo de circuitos fotónicos cuánticos lineales y no lineales basados en plataformas orgánicas.
"Lo que hemos demostrado hasta ahora es que realmente podemos interactuar un solo fotón con una sola molécula de manera eficiente, ", Dijo Sandoghdar." Ahora estamos trabajando para hacer eso en un chip y luego extenderlo a un circuito fotónico cuántico, donde muchas moléculas están conectadas a través de guías de ondas nanoscópicas ".
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