Учёные впервые создали гибридные молекулы с помощью квантового вакуума

Художественное представление: отдельные молекулы подвергаются кооперативному связыванию в пустой оптической полости. Автор: ChatGPT-4o

Взаимодействие между атомами и молекулами обычно осуществляется через электромагнитные поля. Чем больше расстояние между частицами, тем слабее это взаимодействие. Для образования естественных химических связей частицы должны находиться на расстоянии, примерно равном их диаметру.

Учёные из Института науки о свете имени Макса Планка (MPL) впервые смогли «оптически связать» несколько молекул на большем расстоянии, используя оптический резонатор, который значительно изменяет квантовый вакуум. Это достижение открывает путь к созданию синтетических состояний связанных молекул и разработке новых гибридных состояний «свет-материя». Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Атомы и молекулы обладают чётко определёнными дискретными энергетическими уровнями. При объединении в новую молекулу эти состояния меняются — этот процесс называется молекулярной гибридизацией. Однако на расстоянии в несколько нанометров взаимодействие становится настолько слабым, что молекулы перестают «общаться» друг с другом.

Команда под руководством профессора Вахида Сандохдара, директора MPL и главы отдела «Нано-оптика», впервые смогла связать пространственно разделённые молекулы через модифицированное вакуумное поле в оптическом микрорезонаторе.

Внутри высококачественного плано-вогнутого микрорезонатора (между двумя исключительно точными зеркалами) свет может сохраняться в течение длительного времени. Учёные поместили в резонатор микрокристалл антрацена с добавлением специальных красителей размером всего в несколько микрометров. С помощью высокоточной лазерной спектроскопии команда исследовала взаимодействие молекул и их гибридизацию с модой резонатора.

Появление новых особенностей в спектре указывает на изменение молекулярных энергетических состояний, включая так называемые субрадиантные и суперрадиантные моды. Субрадиантные состояния излучают слабее, а суперрадиантные — сильнее взаимодействуют со светом.

Один из ключевых результатов — возможность одновременного перевода двух гибридизированных молекул в возбуждённое состояние. Для этого требуется поглощение двух фотонов из резонатора. Впервые удалось добиться двухфотонного возбуждения молекул, находящихся далеко друг от друга. По отдельности фотоны не оказывают эффекта, но вместе они активируют обе молекулы одновременно.

«Квантовые состояния обычно очень хрупки, поэтому связать несколько молекул — сложная задача. Наша работа закладывает основу для создания новых состояний, в которых материальные частицы, такие как молекулы, "склеены" светом», — поясняет профессор Сандохдар.

Это исследование также важно для квантовых технологий, поскольку изучение точно определённого числа взаимодействующих излучателей является ключевым элементом обработки квантовой информации.

Дополнительная информация: Jahangir Nobakht et al, Hybridization of molecules via a common photonic mode, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2505161122

Источник: Max Planck Institute for the Science of Light