来自马克斯·普朗克光学科学研究所（MPL）的科学家实现了量子物理学的突破，开发了一种以极高精度研究表面上单个分子的方法。研究人员首次展示了附着在表面上的分子能够达到光学相干性的终极量子极限，克服了长期限制分子量子研究的重大障碍。这些研究成果发表在《科学》期刊上，可能为探究分子与表面之间的相互作用以及发展先进量子技术开辟新的可能性。 为什么表面在量子物理学中一直是一个主要障碍 许多新兴量子技术依赖于非常小的物体，例如与光相互作用的单个原子和分子。这些被称为量子发射体的小系统能够产生称为光子的单个光粒子、存储量子信息，并帮助建立远程系统之间的量子连接。这些能力对于未来的量子计算和安全量子通信应用至关重要。 为了研究单个量子发射体，科学家必须使其在较长时间内保持稳定并限制在一个位置。传统上，研究人员通过将原子或分子困在真空中或将其嵌入固体材料中来实现这一点。然而，直接将量子发射体放置在表面上则提供了一个引人注目的优势。科学家可以通过用极尖锐的探针“触摸”单个分子来操纵它们。扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等技术已经使用具有原子精度的探针来研究极小尺度的物质。 问题在于，表面通常不如量子实验所需的那样干净和稳定。来自周围环境的污染物可能会在其上积累，造成干扰，从而干扰附近原子和分子的微妙量子行为。到目前为止，研究人员在维持附着在表面上的单个发射体的量子光学特性方面遇到了困难。 MPL的纳米光学部门的科学家们现在找到了一种解决这一问题的方法。 一种巧妙的晶体清洁方法解决了问题 研究团队在MPL的纳米光学部门主任Vahid Sandoghdar教授的领导下，开发了一种利用有机晶体自然属性的不寻常清洗方法。在室温下，晶体材料通过一种叫做升华的过程逐渐蒸发，其中固体直接转变为气体而不先变为液体。研究人员将一个小晶体放置在一个专为极低温度设计的真空腔室内，即冷却器。当晶体最上面的层缓慢蒸发时，带走了不需要的污染物，留下了一个极为干净的表面。 然后，团队将晶体冷却到绝对零度以上仅几度开尔文，这是一种理论上最低的温度。这种极端的冷却停止了进一步的升华，并有助于维持完美的表面。最后，科学家们使用一个微型特制的炉子在冷晶体上蒸发分子，使其在干净的表面上沉降。 分子达到终极量子极限 在建立了这个极其稳定的环境后，研究人员可以调查分子是否保留了其脆弱的量子特性。MPL纳米光学部门的研究员Alexey Shkarin博士解释说：“量子发射体的质量可以通过它们的相干时间来评估，后者指示它们保持量子状态的时间。”相干时间描述了量子系统保持所需量子行为特性的时间。相干持续时间越长，发射体在需要与光进行精确交互的应用中表现得越好。然而，关于相干可以持续多长时间存在一个基本的物理限制，称为傅里叶极限，这一边界由量子发射体将其能量释放到周围环境所需的时间决定。在不稳定或“嘈杂”的环境中，干扰可能导致相干消失的速度比理论极限允许的快几百甚至几千倍。科学家们发现，沉积在其极干净晶体表面上的分子始终达到了傅里叶极限。这证明了周围环境足够安静且稳定，以保持分子的量子相干性，直到物理上允许的最大时间。这是研究人员首次在附着于表面的分子之上实现这一基本极限。 控制单个分子的新的可能性 这一突破也使团队能够调查晶体表面对休息在其上的分子的影响。进一步的实验揭示，表面与分子之间的相互作用可能导致分子