Взаимодействие атомов и молекул облегчается за счёт электромагнитных полей. Чем больше расстояние между взаимодействующими частицами, тем слабее эти взаимодействия. Чтобы частицы могли образовывать естественные химические связи, расстояние между ними обычно должно быть примерно равно их диаметру.
Использование оптического резонатора
Учёные из Института науки о свете Общества Макса Планка (MPL) впервые добились оптической «связи» нескольких молекул на больших расстояниях, используя оптический резонатор, который сильно изменяет квантовый вакуум. Физики экспериментально создают синтетические состояния связанных молекул, закладывая основу для разработки новых гибридных состояний материи и света. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Молекулярная гибридизация
Атомы и молекулы имеют чётко определённые дискретные энергетические уровни. Когда они объединяются, образуя новую молекулу, энергетические состояния изменяются. Этот процесс называется молекулярной гибридизацией и характеризуется перекрытием электронных орбиталей, то есть областей, где обычно находятся электроны. Однако на масштабе в несколько нанометров взаимодействие становится настолько слабым, что молекулы больше не могут взаимодействовать друг с другом.
Команда под руководством профессора Вахида Сандогхдара, директора MPL и главы отдела «Нанооптика», впервые добилась связи пространственно разделённых молекул через модифицированное вакуумное поле в оптическом микрорезонаторе.
Экспериментальная установка
Внутри высококачественного плоско-вогнутого микрорезонатора, то есть между двумя зеркалами исключительного качества, свет может храниться в течение длительного времени. Учёные поместили в резонатор антраценовый микрокристалл, легированный определёнными молекулами красителя, размером всего в несколько микрометров. Используя лазерную спектроскопию высокого разрешения, команда исследовала взаимодействие молекул и их гибридизацию с модой резонатора.
Появление новых особенностей в полученном спектре указывает на изменения в энергетических состояниях молекул, такие как так называемые субрадиантные и супрадиантные моды. Субрадиантные состояния излучают менее интенсивно, чем раньше, в то время как супрадиантные состояния сильнее взаимодействуют со светом.
Возбуждение молекул
Примечательным следствием гибридизации двух молекул является то, что они могут быть одновременно переведены в возбуждённое состояние. Это означает, что они больше не являются полностью независимыми друг от друга. Для этого из резонатора поглощаются два фотона. В этой работе впервые описано двухфотонное возбуждение двух молекул, находящихся на большом расстоянии друг от друга. По отдельности каждый фотон не оказывает эффекта, но вместе они активируют обе молекулы одновременно. Ни молекулы, ни фотоны не могут действовать поодиночке — но в гармонии они добиваются успеха.
Сандогхдар говорит: «Квантовые состояния обычно очень хрупкие, поэтому сложно связать несколько молекул вместе. Наша работа закладывает основу для разработки новых состояний, в которых материальные частицы, такие как молекулы, „склеиваются“ вместе с помощью света. Исследование точно определённого числа взаимодействующих излучателей также является важным элементом для обработки квантовой информации и поэтому представляет большой интерес для квантовых технологий».
Предоставлено Институтом науки о свете Общества Макса Планка