Kvantumos véletlen: jel erősödik zajból
A vizsgált jelenség a kvantumos sztchasztikus (véletlenszerű) egyenirányítás, amely során az eleve jelen lévő kvantumzaj és egy gyenge váltakozó áramú jel együttesen egyenáramot hoz létre. Noha ilyen effektusokat már észleltek nanoméretű mágneses áramkörökben, a kutatók most először használták ezt egyedi molekulák vizsgálatára.
A kísérletsorozatban egyetlen pirrolidin-molekulát vizsgáltak, amelyet réz felületre helyeztek. Az STM (pásztázó alagútmikroszkóp) ezüst tűjének segítségével periódikusan modulált feszültséget vezettek át rajta, és közben figyelték a molekula kétféle szerkezeti állapota közötti véletlenszerű ugrásokat. Lényeges hangsúlyozni, hogy ezek a kvantum-eredetű ugrások adták a kulcsot a molekula relaxációs folyamatainak feltérképezéséhez.
Pikoszekundumos történések, amiket eddig senki nem látott
A kutatók mérőberendezése házilag épített, 8 Kelvin (-265 °C) hőmérsékleten működik, ultramagas vákuumban. Így sikerült egyetlen molekulán átfolyó egyenirányítási áramot érzékelniük, amely pontosan követte a szerkezet két állapota közötti ugrások „történetfüggetlenségét” – a kvantumos véletlenszerűség dominanciáját. Az eredmények egy Lorentz-görbéhez illeszkedő frekvencia-választ mutattak, amelyből a relaxációs időt közvetlenül lehetett számítani.
Noha az STM elektronikája eddig túl lassú volt a gyors molekulavibrációk követésére, ezzel a kvantumos egyenirányítási módszerrel már sikerült a folyamatokat nanomásodperces pontossággal elcsípni. Ennek köszönhetően teljesen új ablak nyílt az atomi-molekuláris mozgások világára.
A molekulák zaja mint kiaknázandó lehetőség
A vizsgált technika nemcsak az alapkutatásban nyújt új lehetőségeket: a molekulaszintű véletlen felhasználható lehet a jövő kvantumtechnológiáinak megbízhatóbbá tételében is. Fontos megemlíteni, hogy megfelelő szinuszos, periodikus gerjesztéssel a kvantumzaj nemhogy nem rombol, hanem adott esetben éppen kiszűrhető, így a kívánt jel kiemelhető. Ezzel a módszerrel gyors relaxációs folyamatok és kétállapotú rendszerek is egyszerű műszerparkkal követhetők.
A jövőben a kutatók szeretnék a mérések frekvenciáját a THz tartományig tolni, hogy akár pikoszekundumos (10⁻¹² s) folyamatokat is megfigyelhessenek, például protonmozgást vagy vibrációs relaxációkat. Külön izgalmas, hogy az új eljárás révén összevethetővé válik a kvantumos véletlenszerűség és a koherencia, amelynek együttes jelenléte alapvető, ám eddig szinte teljesen feltáratlan kérdés maradt a kvantumfizikában.
Új távlatok a kvantumrendszer-kutatásban
A frekvenciafüggő egyenirányítási spektroszkópia révén végre ténylegesen feltérképezhetők lettek azok a szupergyors relaxációs folyamatok, amelyek jelentőségüket a nanoelektronika és az MI-vezérelt kvantumeszközök fejlesztésében is mutathatják. Ez adhatja a jövő kvantumalapú technológiáinak egyik kulcselvét: a véletlenből hasznot húzni.
