Moleküle auf einer Oberfläche erreichen die ultimative Quantengrenze
Neue Technik kann Moleküle auf Oberflächen mit spektroskopischer Präzision an der Quantengrenze untersuchen.
Viele optische Quantentechnologien basieren auf Objekten im Nanometerbereich, wie Atomen oder Molekülen, die stark mit Licht interagieren. Diese Quantenemitter werden zur Erzeugung einzelner Photonen, zur Speicherung von Quanteninformation und zur Verteilung von Verschränkungen genutzt – alles Prozesse, die in der Quantenkommunikation und im Quantencomputing Anwendung finden.
Um diese Emitter einzeln untersuchen zu können, müssen Forschende sie über einen langen Zeitraum an einem Ort halten. Dazu werden sie in der Regel entweder im Vakuum einfangen oder in ein Volumenmaterial eingebettet. Quantenemitter, die auf einer Oberfläche liegen, würden neue Möglichkeiten eröffnen, ihre Funktionen zu manipulieren, indem man sie beispielsweise mit einer atomar scharfen Spitze „berührt“. Solche Spitzen werden unter anderem in der Rastertunnel- und der Rasterkraftmikroskopie verwendet. Bislang war es jedoch nicht gelungen, an Oberflächen gebundene Atome und Moleküle auf eine Weise zu kontrollieren, die ihre quantenoptischen Eigenschaften bewahrt. Der Grund dafür ist, dass Oberflächen leicht Verunreinigungen aus der Umgebung aufnehmen können, wodurch eine höchst instabile und „verrauschte“ Umgebung entsteht. Diese beeinträchtigt die Eigenschaften der Quantenemitter. Forschende der Abteilung Nanooptik am MPL haben nun einen Weg gefunden, diese Hürde zu überwinden.
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Um eine saubere Oberfläche zu erhalten, entwickelte die Gruppe unter der Leitung von MPL-Direktor Vahid Sandoghdar einen neuen Ansatz. Die Forschenden nutzten die Tatsache, dass ein organischer Kristall bei Raumtemperatur langsam verdampft. Indem sie einen kleinen Kristall in einen Kryostaten unter Vakuum gelegt hatten, lösten sich die obersten Kristallschichten auf natürliche Weise und nahmen die Verunreinigungen mit. Anschließend wurde der Kristall auf nur wenige Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und eine weitere Sublimation gestoppt. Dann verdampfte das Team Oberflächenmoleküle bei diesen niedrigen Temperaturen mit einem mikrofabrizierten Ofen.
Alexey Shkarin erklärt: „Die Qualität von Quantenemittern lässt sich anhand ihrer Kohärenzzeit bewerten. Diese gibt an, wie lange die Emitter ihre Quanteneigenschaften beibehalten.“ Diese Zeit kann niemals länger sein als die Fourier-Grenze. Sie wird durch die Zeit bestimmt, die der Emitter benötigt, um seine Energie an seine Umgebung abzugeben. In verrauschten Umgebungen kann sich die Kohärenzzeit jedoch um das Hundert- oder Tausendfache verkürzen. Durch das Aufbringen ihrer Moleküle auf eine saubere Oberfläche eines Kristalls mit geeigneter Molekülstruktur stellten die Forschenden fest, dass ihre Moleküle durchweg die Fourier-Grenze erreichten – ein Hinweis für eine ruhige und stabil Umgebung. Damit wurde diese grundlegende Grenze erstmals auf einer Oberfläche erreicht.
In weiteren detaillierten Untersuchungen entschlüsselt die Gruppe verschiedene Wege, wie die Oberfläche das Verhalten der adsorbierten Moleküle beeinflusst: Sie richtet die Moleküle in einer bestimmten Ausrichtung aus, verschiebt ihre Energien und könnte sogar ihre Form oder die Art und Weise, wie die Moleküle schwingen, beeinflussen. „Unsere zukünftige Arbeit wird sich darauf konzentrieren, diese Methode mit AFM und STM zu kombinieren, um eine lokale Kontrolle im Nanometerbereich über einzelne Quantenemitter zu erlangen“, sagt Sandoghdar. „Solche Untersuchungen werden einen beispiellosen Einblick in die Eigenschaften von Oberflächen liefern und neue Wege für die Gestaltung von Quantenzuständen der Materie eröffnen.“ [MPL / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
M. Mirzaei, A. Shkarin, B. Gurlek, et al., Nano-electron volt Fourier-limited transition of a single surface-adsorbed molecule, Science 392 (6805), 1384–1389, 25. Juni 2026; DOI: 10.1126/science.aeg5014 - Abteilung Nanooptik (Vahid Sandoghdar), MPI für die Physik des Lichts, Erlangen
Anbieter
Max-Planck-Institut für die Physik des LichtsStaudtstr. 2
91058 Erlangen
Deutschland
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