Nečistoće i smetnje iz okoline otežavaju precizna mjerenja pojedinačnih molekula na površini kristala. Istraživači Instituta Max Planck za znanost o svjetlosti taj su problem riješili neobičnim postupkom: pustili su da gornji slojevi organskog kristala postupno ispare i sa sobom odnesu nečistoće.
Na očišćenu i snažno ohlađenu podlogu zatim su položili molekule čiji su optički prijelazi dosegnuli takozvanu Fourierovu granicu. To znači da širinu njihovih spektralnih linija više nije dodatno povećavao okolni šum, nego ju je određivao sam životni vijek pobuđenog stanja.
U radu objavljenom u časopisu Science 25. lipnja tim pod vodstvom Vahida Sandoghdara opisuje kako je postigao takvu preciznost s pojedinačnim molekulama na površini, gdje su smetnje iz okoliša dosad predstavljale veliku prepreku.
Površina koja se čisti isparavanjem
Znanstvenici već dugo istražuju pojedinačne atome i molekule zarobljene u vakuumu ili smještene unutar čvrstih materijala. Površina pruža drukčiju mogućnost: molekuli se može prići vrlo oštrim vrhom mikroskopa i lokalno djelovati na nju. No na površini se lako skupljaju nečistoće koje narušavaju stabilnost mjerenja.
Novi postupak iskorištava sublimaciju, izravan prijelaz iz čvrstog u plinovito stanje. Organski kristal na sobnoj temperaturi polako gubi materijal. U vakuumu zato njegovi gornji slojevi mogu nestati zajedno s onime što se na njima nakupilo.
Nakon čišćenja tim je kristal ohladio na svega nekoliko kelvina iznad apsolutne nule. Time je zaustavljena daljnja sublimacija i očuvana pripremljena površina. Mala posebno izrađena pećnica omogućila je zatim naparavanje molekula na hladnu podlogu.
U pokusu su istraživali pojedinačne molekule dibenzoterilena na površini antracena.
Što znači dosegnuti Fourierovu granicu
Pobuđena molekula ne zadržava dodatnu energiju beskonačno dugo. Životni vijek pobuđenog stanja određuje koliko uska može biti spektralna linija optičkog prijelaza. U stvarnim se pokusima linija često dodatno širi zbog promjenjivih uvjeta u okolini.
Tim je postigao stabilne prijelaze širine oko 80 nanoelektronvolti. Znanstvenici tako mogu razlučiti vrlo slabe utjecaje na molekulu koji bi se u širem i nestabilnijem signalu izgubili.
Smanjenje vanjskih smetnji pomaže očuvati i koherenciju, odnosno stabilan fazni odnos važan za kvantne učinke. Trajanje pobuđenog stanja pritom ostaje prirodno ograničenje.
Približiti vrh mikroskopa jednoj molekuli
Mjerenja su otkrila i kako površina usmjerava molekule te mijenja njihove energije. Institut navodi i naznake da podloga može utjecati na oblik i vibracije molekula.
Takvi pojedinačni izvori svjetlosti zanimljivi su za istraživanje kvantnih emitera i njihovo povezivanje s drugim sustavima.
Sljedeći korak, prema najavi istraživačkog tima, jest povezati pripremu čistih površina s mikroskopijom atomskih sila i pretražnom tunelskom mikroskopijom. Cilj je pojedinoj molekuli prići na nanometarskoj skali, a istodobno zadržati preciznost optičkih mjerenja.
