Moleküle auf einer Oberfläche erreichen die ultimative Quantengrenze

Wissenschaftler:innen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) präsentieren eine neuartige spektroskopische Untersuchungsmethode. Die Technik erlaubt die präzise Analyse von Oberflächenmolekülen direkt an der ultimativen Quantengrenze. Dies eröffnet neue Wege zur Erforschung von Molekül-Oberflächen-Wechselwirkungen und molekularen Quantentechnologien.

Herausforderungen bei oberflächengebundenen Quantenemittern

Optische Quantentechnologien nutzen oft Nanometer-Objekte wie Atome oder Moleküle als stark lichtinteragierende Quantenemitter. Diese dienen zur Erzeugung einzelner Photonen, zur Quanteninformationsspeicherung sowie zur Verschränkungsverteilung. Für Einzeluntersuchungen müssen die Emitter langfristig an einem festen Ort fixiert werden. Bislang geschah dies meist im Vakuum oder eingebettet in Volumenmaterialien. Emitter auf Oberflächen würden eine gezielte Manipulation ermöglichen, etwa über atomar scharfe Mikroskopiespitzen (STM/AFM). Bisher zerstörten Oberflächenverunreinigungen jedoch die quantenoptischen Eigenschaften durch eine instabile, verrauschte Umgebung.

Innovative Oberflächenreinigung per Sublimation im Kryostaten

Die MPL-Abteilung „Nanooptik“ unter Prof. Vahid Sandoghdar löste dieses Problem durch einen neuen methodischen Ansatz. Das Team nutzte die kontrollierte Verdampfung eines organischen Kristalls bei Raumtemperatur. Im Vakuum-Kryostaten lösten sich die obersten Kristallschichten und entfernten so alle Verunreinigungen. Nach Abkühlung auf wenige Kelvin stoppte diese Sublimation. Anschließend wurden Oberflächenmoleküle mittels eines mikrofabrizierten Ofens bei kryogenen Temperaturen verdampft.

Erreichen der theoretischen Fourier-Grenze

Dr. Alexey Shkarin erklärt: „Die Qualität von Quantenemittern lässt sich anhand ihrer Kohärenzzeit bewerten. Diese gibt an, wie lange die Emitter ihre Quanteneigenschaften beibehalten.“

Diese Zeit ist durch die natürliche Energieabgabe-Dauer (Fourier-Grenze) limitiert. In verrauschten Umgebungen verkürzt sie sich oft drastisch. Durch das Aufbringen auf die saubere Kristalloberfläche erreichten die Moleküle nun konstant diese fundamentale Quantengrenze. Dies beweist eine extrem stabile, rauschfreie Messumgebung.
Zukunftsperspektiven für die Nanotechnologie und Analytik Die Forschenden entschlüsselten zudem spezifische Oberflächeneinflüsse auf die adsorbierten Moleküle. Die Oberfläche richtet die Moleküle aus, verschiebt Energieniveaus und beeinflusst molekulare Schwingungen.

„Unsere zukünftige Arbeit wird sich darauf konzentrieren, diese Methode mit AFM und STM zu kombinieren, um eine lokale Kontrolle im Nanometerbereich über einzelne Quantenemitter zu erlangen“, sagt Vahid Sandoghdar. „Solche Untersuchungen werden einen beispiellosen Einblick in die Eigenschaften von Oberflächen liefern und neue Wege für die Gestaltung von Quantenzuständen der Materie eröffnen.“

Quelle

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (06/2026)