Chercheurs de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière et de l'Université Friedrich Alexander à Erlangen, L'Allemagne a récemment démontré qu'une molécule peut être transformée en un système quantique cohérent à deux niveaux. Dans leur étude, Publié dans Physique de la nature , ils ont placé une molécule organique à l'intérieur d'une microcavité optique et ont découvert qu'elle se comportait comme un système quantique cohérent à deux niveaux.

« Les molécules organiques sont étudiées et appliquées dans divers contextes depuis de nombreuses décennies, " Vahid Sandoghdar, le chef de l'équipe de recherche, dit Phys.org. "Notre groupe de recherche s'est intéressé à les utiliser dans des mesures optiques quantiques, qui ont été traditionnellement effectués sur des atomes dans une chambre à vide. »

Sandoghar et ses collègues ont découvert qu'une molécule organique placée dans une microcavité optique se comporte en réalité comme un système quantique cohérent à deux niveaux. Cela a permis aux chercheurs d'éteindre 99 % d'un faisceau laser avec une seule molécule.

L'efficacité remarquable de cette interaction signifiait également qu'ils pouvaient saturer une molécule d'environ seulement 0,5 photon, alors qu'il faut généralement une quantité considérable de puissance pour atteindre la saturation. La nature non linéaire de cet effet s'est également manifestée dans la génération non classique de quelques photons de lumière super groupée.

"Le grand avantage de notre système est qu'une seule molécule se trouve exactement au même endroit dans son cristal environnant pendant des jours et des semaines, alors qu'un seul atome est généralement conservé sur des échelles de temps de l'ordre de la seconde seulement, " a déclaré Daqing Wang, qui a fait sa recherche doctorale sur ce projet.

Une molécule individuelle a plusieurs niveaux d'énergie vibratoire, qui fournissent plusieurs canaux de désintégration pour son état excité. Pour transformer une molécule en un système quantique à deux niveaux, les chercheurs ont dû accélérer l'une de ces transitions à un point tel que le taux de désintégration de la molécule vers les autres niveaux deviendrait négligeable. En d'autres termes, ce processus a empêché la molécule de se désintégrer à des niveaux auxquels les chercheurs ne voulaient pas qu'elle aille.

"Pour que cela se produise, nous avons enfermé la molécule dans une cavité constituée de deux miroirs séparés par une très faible distance de l'ordre du micromètre, " a expliqué Wang. " La transition de choix est en résonance avec la cavité afin qu'un photon puisse aller et venir plusieurs fois, dans notre cas plusieurs milliers de fois."

Les chercheurs ont mené leur expérience à environ 2 Kelvin, pour s'assurer que les agitations thermiques du cristal n'affectent pas son interaction avec la lumière laser. En plus de montrer qu'une molécule peut agir comme un système quantique cohérent à deux niveaux, ils ont démontré que leur système molécule-microcavité pouvait interagir avec des photons uniques générés par une seconde molécule dans un laboratoire distant.

« Les systèmes de mécanique quantique sont des éléments constitutifs du domaine émergent de l'ingénierie quantique, mais ils peuvent facilement perdre leur quantité, " Sandoghdar a déclaré. "Le rêve est de câbler de nombreux systèmes de mécanique quantique de manière à préserver leurs fragiles interactions de mécanique quantique. Notre travail montre qu'une molécule organique, qui est généralement associée à la microscopie à fluorescence en biologie ou aux couleurs d'un tee-shirt, peut faire ce que l'on attend d'un système de mécanique quantique idéal."

À l'avenir, l'étude menée par l'équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck pourrait permettre le développement de circuits photoniques quantiques linéaires et non linéaires basés sur des plateformes organiques.

"Ce que nous avons montré jusqu'à présent, c'est que nous pouvons vraiment interagir efficacement avec un seul photon avec une seule molécule, " Sandoghdar a déclaré. "Nous travaillons maintenant à le faire sur une puce, puis à l'étendre à un circuit photonique quantique, où de nombreuses molécules sont connectées via des guides d'ondes nanoscopiques."

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