Новый метод измерения ультрабыстрых процессов релаксации в отдельных молекулах

Квантовое стохастическое выпрямление — это процесс, наблюдаемый в некоторых физических системах, который подразумевает преобразование случайных квантовых флуктуаций (например, квантового шума) и небольшого осциллирующего сигнала, такого как слабый переменный ток или напряжение переменного тока (AC), в постоянный выходной сигнал (например, постоянный ток, DC). Этот квантовый эффект ранее был зарегистрирован в магнитных туннельных переходах, которые управляются как квантовой механикой, так и случайностью (стохастическими процессами).

Исследования в Калифорнийском университете в Ирвайне

Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне недавно показали, что квантовое стохастическое выпрямление, наблюдаемое в отдельных молекулах, может быть использовано для изучения их внутренней динамики релаксации. Их подход, описанный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, может стать основой для будущих исследований молекулярной динамики и измерения быстрых процессов, происходящих в отдельных молекулах на атомном уровне.

Уилсон Хо, старший автор статьи, рассказал Phys.org: «Несколько лет назад я входил в комитет по продвижению аспирантов, и аспирант обсуждал своё диссертационное исследование, связанное со стохастическими процессами в магнитных туннельных переходах размером в нанометры. Сигнал в его эксперименте был затронут тепловым шумом и показал переход при изменении частоты возбуждения».

Хо продолжил: «Мне пришло в голову, что мы должны наблюдать аналогичный эффект, но полностью квантово-механический, при исследовании отдельной молекулы с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Я поделился этими идеями с Цзян Яо, аспиранткой того времени в моей группе, и наше обсуждение привело к публикации этой статьи».

Основная цель исследования

Основной целью недавнего исследования Хо и его студентов было успешное наблюдение внутренней квантовой случайности (квантовой стохастичности) в отдельной молекуле. Для этого исследователи применили периодическое осциллирующее напряжение к отдельной молекуле пирролидина, адсорбированной на медной поверхности, которая взаимодействовала со случайным переключением состояний в молекуле из-за квантовых эффектов.

Затем они наблюдали и измеряли реакцию молекулы на частоту осциллирующего напряжения, уделяя особое внимание структурным изменениям (конформациям). Это позволило им измерить, как быстро молекула релаксирует (возвращается в исходное состояние после возмущения), фиксируя быстрые процессы, которые не были зафиксированы с помощью одних только микроскопических инструментов.

Хо объяснил: «Мы использовали самодельный низкотемпературный (8 К) СТМ в сверхвысоком вакууме для измерения выпрямляющего тока в качестве преобразующего сигнала через отдельный пирролидин, что позволило нам отслеживать стохастические, независимые от истории, случайные квантовые переходы между двумя молекулярными состояниями, одновременно подвергаемые синусоидальному периодическому воздействию напряжения с различными частотами».

Результаты исследования

Результаты, полученные Хо и его коллегами, демонстрируют, что процессы квантового стохастического выпрямления могут быть использованы для исследования квантовой стохастичности отдельных молекул. Используя свои методы, исследователи смогли изучить быстрые процессы, происходящие в отдельной молекуле пирролидина на атомном уровне за время, слишком короткое для отслеживания с помощью электроники СТМ.

«Понимание того, как случайный квантовый шум может усиливать сигналы за счёт модуляции синусоидальным периодическим воздействием, потенциально может помочь в борьбе с ошибками, вызванными окружающей средой, для квантовых устройств», — сказал Хо. «С методологической точки зрения наша частотно-зависимая спектроскопия выпрямления предлагает мощный метод исследования быстрых процессов релаксации в двухуровневых системах с использованием синусоидального периодического воздействия, что значительно упрощает требования к приборам».

В будущем экспериментальные методы, используемые Хо и его коллегами, могут быть применены другими исследовательскими группами для изучения динамики отдельных молекул, а также потенциально способствовать развитию квантовых технологий за счёт снижения ошибок, возникающих из-за взаимодействия квантовых состояний с окружающей средой. В рамках своих следующих исследований учёные планируют изучить динамику отдельных молекул на пикосекундном уровне, распространив свой подход на ТГц-частоты.

«Помимо измерения сверхбыстрых процессов, таких как колебательная релаксация и движение протонов, наш метод исследования отдельных молекул может выявить связь между стохастичностью и когерентностью, что является фундаментальным, но малоизученным аспектом квантовых систем», — добавил Хо. «Эти два явления часто сосуществуют, но современные методы с трудом позволяют исследовать их одновременно».