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科学家将表面分子推向终极量子极限
超洁净的晶体表面使单个分子能够在基本傅立叶极限下保持量子相干性。放置在表面上的分子应该比隐藏在固体内或悬浮在真空中的分子更容易探测和操纵。然而，在实践中，表面污染会产生不稳定、嘈杂的环境，可以快速降解分子的 [...]
来源:SciTech日报超洁净的晶体表面使单个分子能够在基本傅立叶极限下保持量子相干性。
放置在表面上的分子应该比隐藏在固体内或悬浮在真空中的分子更容易探测和操作。然而，在实践中，表面污染会产生不稳定、嘈杂的环境，从而迅速降低分子微妙的量子特性。
马克斯·普朗克光科学研究所 (MPL) 的研究人员现已克服了这一障碍。他们的技术允许以光谱精度检查表面上的分子，同时始终达到相干性的最终量子极限，这是以前在表面上无法实现的。该研究结果发表在《科学》杂志上，可以扩展分子表面相互作用和分子量子技术的研究。
许多光学量子技术依赖于与光强烈相互作用的纳米级物体，例如原子和分子。这些量子发射器可以生成单光子、存储量子信息并分配纠缠，以及用于量子通信和计算的功能。
一次研究一个发射器需要将其长时间固定在适当的位置。研究人员通常通过将发射器捕获在真空中或将它们嵌入块体材料中来实现这一点。
表面提供了另一种可能性，因为单个原子或分子可以直接用原子级锋利的尖端进行操纵，例如扫描隧道显微镜 (STM) 和原子力显微镜 (AFM) 中使用的尖端。然而，到目前为止，保持表面束缚发射器的量子光学特性一直很困难，因为污染物很容易聚集在表面上并产生波动的环境。
干净的表面保留了量子相干性
由 MPL 主任兼“纳米光学”部门负责人 Vahid Sandoghdar 教授领导的小组通过利用有机晶体的特性解决了污染问题：它在室温下缓慢蒸发。
研究人员将一块小晶体放入真空低温恒温器内。当其最上层自然蒸发时，它们带走了表面污染物。然后晶体被冷却到仅比绝对零高几开氏度，停止进一步升华。在如此低的温度下，研究人员使用微型烤箱将分子沉积到新清洁的表面上。
结果是量子发射器获得了异常稳定的环境。
MPL 纳米光学部门研究员 Alexey Shkarin 博士解释说：“量子发射器的质量可以通过其相干时间来评估，相干时间表明它们保持量子性的时间。”
相干时间不能超过所谓的傅里叶极限，该极限由发射器将其能量传输到周围环境所需的时间决定。在嘈杂的环境中，这种一致性可能会缩短数百甚至数千倍。通过将分子放置在具有合适分子结构的干净晶体表面上，研究人员发现分子始终达到傅里叶极限。这是第一次在表面上达到基本极限，表明分子经历了极其安静和稳定的环境。
表面也改变了分子行为
实验还表明，表面的作用不仅仅是将分子固定在适当的位置。它导致吸附的分子采用特定的方向并改变它们的能量，同时可能改变它们的形状或振动方式。
DOI：10.1126/science.aeg5014
“我们未来的工作将集中于将该方法与 AFM 和 STM 相结合，以获得对单个量子发射器的局部纳米控制，”Vahid Sandoghdar 说道。
将清洁表面技术与这些显微镜工具相结合，可以让研究人员通过纳米级控制来研究单个量子发射器，从而更深入地了解表面特性和设计物质量子态的新方法。
参考文献：“单个表面吸附分子的纳电子伏特傅里叶极限跃迁”作者：Masoud Mirzaei、Alexey Shkarin、Burak Gurlek、Johannes Zirkelbach、Ashley J. Shin、Irena Deperasińska、Boleslaw Kozankiewicz、Tobias Utikal、Stephan Götzinger 和 Vahid Sandoghdar，6 月 25 日2026，科学。
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