Pesquisadores do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz e da Universidade Friedrich Alexander em Erlangen, A Alemanha demonstrou recentemente que uma molécula pode ser transformada em um sistema quântico coerente de dois níveis. Em seu estudo, publicado em Física da Natureza , eles colocaram uma molécula orgânica dentro de uma microcavidade óptica e descobriram que ela se comportava como um sistema quântico coerente de dois níveis.

"As moléculas orgânicas foram estudadas e aplicadas em vários contextos por muitas décadas, "Vahid Sandoghdar, o chefe da equipe de pesquisa, disse a Phys.org. "Nosso grupo de pesquisa está interessado em usá-los em medições ópticas quânticas, que tradicionalmente tem sido feito em átomos em uma câmara de vácuo. "

Sandoghar e seus colegas descobriram que uma molécula orgânica colocada em uma microcavidade óptica realmente se comporta como um sistema quântico coerente de dois níveis. Isso permitiu aos pesquisadores extinguir 99% de um feixe de laser com uma única molécula.

A notável eficiência dessa interação também significa que eles podem saturar uma molécula em cerca de apenas 0,5 fóton, enquanto um geralmente requer uma quantidade considerável de energia para atingir a saturação. A natureza não linear desse efeito também se manifestou na geração não clássica de alguns fótons de luz superembalada.

"A grande vantagem do nosso sistema é que uma única molécula permanece exatamente no mesmo lugar em seu cristal circundante por dias e semanas, enquanto um único átomo é geralmente mantido em escalas de tempo da ordem de segundos apenas, "disse Daqing Wang, quem fez sua pesquisa de doutorado neste projeto.

Uma molécula individual tem vários níveis de energia vibracional, que fornecem vários canais de decaimento para seu estado excitado. Para transformar uma molécula em um sistema quântico de dois níveis, os pesquisadores tiveram que acelerar uma dessas transições a tal ponto que a taxa de decaimento da molécula para os outros níveis se tornaria insignificante. Em outras palavras, esse processo evitou que a molécula decaísse a níveis que os pesquisadores não queriam que ela atingisse.

"Para que isso aconteça, encerramos a molécula em uma cavidade que consiste em dois espelhos separados por uma distância muito pequena da ordem de um micrômetro, "Wang explicou." A transição de escolha é ressonante com a cavidade, de modo que um fóton pode ir e vir muitas vezes, no nosso caso, vários milhares de vezes. "

Os pesquisadores realizaram seu experimento em cerca de 2 Kelvin, para garantir que as agitações térmicas do cristal não afetassem sua interação com a luz do laser. Além de mostrar que uma molécula pode atuar como um sistema quântico coerente de dois níveis, eles demonstraram que seu sistema molécula-microcavidade poderia interagir com fótons únicos gerados por uma segunda molécula em um laboratório distante.

"Os sistemas mecânicos quânticos são blocos de construção do campo emergente da engenharia quântica, mas eles podem facilmente perder sua quanticidade, "Sandoghdar disse." O sonho é conectar muitos sistemas da mecânica quântica de uma forma que suas frágeis interações mecânicas quânticas sejam preservadas. Nosso trabalho mostra que uma molécula orgânica, que geralmente está associada à microscopia de fluorescência em biologia ou às cores de uma camiseta, pode fazer o que se espera de um sistema mecânico quântico ideal. "

No futuro, o estudo realizado pela equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck poderá permitir o desenvolvimento de circuitos fotônicos quânticos lineares e não lineares baseados em plataformas orgânicas.

"O que mostramos até agora é que podemos realmente interagir um único fóton com uma única molécula de maneira eficiente, "Sandoghdar disse." Agora estamos trabalhando para fazer isso em um chip e, em seguida, estendê-lo para um circuito fotônico quântico, onde muitas moléculas são conectadas por meio de guias de ondas nanoscópicas. "

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