Квантовое стохастическое выпрямление — это процесс, наблюдаемый в некоторых физических системах, который заключается в преобразовании случайных квантовых флуктуаций (квантового шума) и небольшого колебательного 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, на которые влияют как квантовая механика, так и случайность (стохастические процессы).
Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне показали, что квантовое стохастическое выпрямление, наблюдаемое в отдельных молекулах, можно использовать 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 продвинуть измерение быстрых процессов, происходящих в отдельных молекулах на атомном уровне.
Уилсон Хо, старший автор статьи, рассказал Phys.org: «Несколько лет назад я работал в комитете по продвижению кандидатских работ, и аспирант обсуждал своё диссертационное исследование, связанное со стохастическими процессами в магнитных туннельных переходах размером в нанометрах. Сигнал в его эксперименте был подвержен тепловому шуму 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 обсудил эти идеи с Цзян Яо, аспиранткой того времени в моей группе, и наша дискуссия привела к публикации этой статьи».
Основная цель недавнего исследования Хо и его студентов — успешно наблюдать внутреннюю квантовую случайность (квантовую стохастичность) в отдельной молекуле.
Для этого исследователи применили периодическое колебательное 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 колебаний напряжения, уделяя особое внимание структурным изменениям (конформациям). Это позволило им измерить, насколько быстро молекула релаксирует (возвращается в исходное состояние после возмущения), улавливая быстрые процессы, которые не были зафиксированы только с помощью 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, не зависящие от истории случайные квантовые переходы между двумя молекулярными состояниями, одновременно подвергаемые синусоидальному периодическому воздействию напряжения с изменяемой частотой».
«Было показано, что лоренцевский переход в частотной характеристике выпрямляющего тока, соответствующий экспоненциальному затуханию во времени, соответствует квантовой стохастической динамике, связывая частоту перехода со временем релаксации популяции», — добавил Хо.
Результаты, полученные Хо и его коллегами, демонстрируют, что процессы квантового стохастического выпрямления можно использовать для исследования квантовой стохастичности отдельных молекул. Используя свои методы, исследователи смогли изучить быстрые процессы, происходящие в отдельной молекуле пирролидина на атомном уровне, за промежутки времени, слишком короткие для отслеживания с помощью электроники СТМ.
«Понимание того, как случайный квантовый шум может усиливать сигналы путём 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 вибрационная релаксация и движение протонов, наш метод исследования отдельных молекул может выявить связь между стохастичностью и когерентностью, которая является фундаментальным, но малоизученным аспектом квантовых систем», — добавил Хо. «Эти два явления часто сосуществуют, но современные методы не позволяли исследовать их одновременно».
© 2025 Science X Network