Cesta pro kvantové snímání

Nejbližší okolí atomu či molekuly může značně ovlivňovat jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Rozhraní budoucích kvantových sítí budou vyžadovat detailní porozumění koherenci různých stavů až na atomární a molekulové úrovni. Vhodnými technikami studia jednotlivých atomů či molekul jsou skenovací tunelová mikroskopie (STM) nebo mikroskopie atomárních sil (AFM), viz Vesmír 89, 290, 2010/5. Zatímco první k analýze využívá elektrického proudu, druhá se zakládá na meziatomové přitažlivosti. Zcela novým postupem je propojení AFM s elektronovou spinovou či paramagnetickou rezonancí (ESR) na jedné molekule.

Náčrt experimentálního uspořádání kvantového snímání. Jednotlivé molekuly pentacenu byly adsorbovány na zlatém mikropásku na slídovém disku pokrytém vrstvou NaCl, která zabraňuje tunelování elektronů mezi mikropáskem a molekulou. Na proužek bylo přivedeno časově závislé hradlové napětí V_G, aby se molekula opakovaně dostala do nenabitého tripletového excitovaného stavu (znázorněného dvěma šipkami) dvěma následnými tunelovacími událostmi mezi molekulou a vodivým hrotem. Během experimentálně řízené doby trvání t_D se nenabitá molekula může rozpadnout do singletového základního stavu. Přes mikropásky byl veden radiofrekvenční proud IRF, který generuje radiofrekvenční magnetické pole B_RF. Po uplynutí času t_D byl odečten konečný stav molekuly.

Schéma Sellies L. et al., upraveno

Experimentátoři z univerzity v Regensburku v důmyslném experimentu (schéma uspořádání viz obr.) propojili AFM a ESR na jedné molekule. Využili toho, že vodivý hrot raménka AFM umožňuje tunelování individuálního elektronu mezi molekulou a hrotem. Prvním vhodně voleným napěťovým pulzem z molekuly uhlovodíku pentacenu pomocí AFM vytrhli elektron z nejvýše plně obsazeného orbitalu, druhý vhodně volený napěťový pulz naopak vyvolal tunelování elektronu z hrotu raménka AFM zpět na molekulu pentacenu. Pokud „dotuneloval“ znovu do původního orbitalu, je molekula v singletovém stavu. Pokud do nejnižšího neobsazeného orbitalu, pak nespárované elektrony vytvoří tripletový stav. Kationtový stav se tak používá pouze k vytvoření nenabitého tripletového stavu. A právě zde se uplatní ESR. Ta mimo jiného umožňuje rozlišit mezi obyčejným a deuterovaným pentacenem. Kromě toho, že tento experiment nepotřebuje ani teploty kapalného hélia ani silná magnetická pole, patrně nejdůležitější předností propojení ESR a AFM proti STM, je řádově delší doba, po níž lze koherentně manipulovat se spinem tripletového stavu. Pro výzkum kvantového snímání to snad je jeden ze slibných prvních kroků.

Lisanne Sellies et al., Nature, 2023; DOI: 10.1038/s41586-023-06754-6