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    Trasformare una molecola organica in un sistema quantistico coerente a due livelli

    Credito:Dominik Rattenbacher

    Ricercatori del Max Planck Institute for the Science of Light e della Friedrich Alexander University di Erlangen, La Germania ha recentemente dimostrato che una molecola può essere trasformata in un sistema quantistico coerente a due livelli. Nel loro studio, pubblicato in Fisica della natura , hanno posizionato una molecola organica all'interno di una microcavità ottica e hanno scoperto che si comportava come un sistema quantistico coerente a due livelli.

    "Le molecole organiche sono state studiate e applicate in vari contesti per molti decenni, "Vahid Sandogdar, il capo del gruppo di ricerca, ha detto a Phys.org. "Il nostro gruppo di ricerca è interessato a utilizzarli nelle misurazioni ottiche quantistiche, che sono stati tradizionalmente fatti sugli atomi in una camera a vuoto."

    Sandoghar e i suoi colleghi hanno scoperto che una molecola organica posta in una microcavità ottica si comporta effettivamente come un sistema quantistico coerente a due livelli. Ciò ha permesso ai ricercatori di estinguere il 99% di un raggio laser con una singola molecola.

    La notevole efficienza di questa interazione significava anche che potevano saturare una molecola di circa 0,5 fotoni, mentre di solito si richiede una notevole quantità di potenza per raggiungere la saturazione. La natura non lineare di questo effetto si è manifestata anche nella generazione non classica di pochi fotoni di luce super-raggruppata.

    "Il grande vantaggio del nostro sistema è che una singola molecola si trova esattamente nello stesso posto nel cristallo circostante per giorni e settimane, considerando che di solito un singolo atomo viene mantenuto su scale temporali dell'ordine dei secondi, " ha detto Daqing Wang, che ha svolto la sua ricerca di dottorato su questo progetto.

    L'effetto di una singola molecola sullo spettro di trasmissione della cavità. La frequenza della cavità è stata sintonizzata sulla frequenza molecolare (1-12). Quando la molecola è in risonanza con la cavità (vedi 7, 8), blocca completamente la trasmissione della cavità, cioè., funziona come uno specchio quasi perfetto. Credito:Wang et al.

    Una singola molecola ha diversi livelli di energia vibrazionale, che forniscono più canali di decadimento per il suo stato eccitato. Per trasformare una molecola in un sistema quantistico a due livelli, i ricercatori hanno dovuto accelerare una di queste transizioni a tal punto che il tasso di decadimento della molecola agli altri livelli sarebbe diventato trascurabile. In altre parole, questo processo ha impedito alla molecola di decadere a livelli a cui i ricercatori non volevano che arrivasse.

    "Per far sì che ciò accada, abbiamo racchiuso la molecola in una cavità costituita da due specchi separati da una distanza molto piccola dell'ordine di un micrometro, " ha spiegato Wang. "La transizione scelta è risonante con la cavità in modo che un fotone possa andare avanti e indietro molte volte, nel nostro caso diverse migliaia di volte."

    I ricercatori hanno effettuato il loro esperimento a circa 2 Kelvin, per garantire che le agitazioni termiche del cristallo non influiscano sulla sua interazione con la luce laser. Oltre a dimostrare che una molecola può agire come un sistema quantistico coerente a due livelli, hanno dimostrato che il loro sistema molecola-microcavità potrebbe interagire con singoli fotoni generati da una seconda molecola in un laboratorio lontano.

    "I sistemi di meccanica quantistica sono elementi costitutivi del campo emergente dell'ingegneria quantistica, ma possono facilmente perdere la loro quantita', " Ha detto Sandoghdar. "Il sogno è quello di collegare molti sistemi di meccanica quantistica in modo tale da preservare le loro fragili interazioni quantomeccaniche. Il nostro lavoro mostra che una molecola organica, che di solito è associato alla microscopia a fluorescenza in biologia o ai colori di una maglietta, può fare ciò che ci si aspetta da un sistema di meccanica quantistica ideale."

    Nel futuro, lo studio condotto dal team di ricercatori del Max Planck Institute potrebbe consentire lo sviluppo di circuiti fotonici quantistici lineari e non lineari basati su piattaforme organiche.

    "Ciò che abbiamo dimostrato finora è che possiamo davvero interagire un singolo fotone con una singola molecola in modo efficiente, " Ha detto Sandoghdar. "Stiamo lavorando per farlo su un chip e poi estenderlo a un circuito fotonico quantistico, dove molte molecole sono collegate tramite guide d'onda nanoscopiche."

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