Ученые достигли рекордной точности квантовых колебаний для обнаружения отдельных молекул

Ученые добились рекордной точности квантовых колебаний, способных обнаруживать отдельные молекулы, что открывает путь к созданию сенсоров и устройств нового поколения. Фото: AI/ScienceDaily.com

Подобно тому, как пересекающиеся волны на поверхности воды могут усиливать или гасить друг друга, волны различных видов — включая свет, звук и атомные колебания — способны интерферировать между собой. На квантовом уровне такая интерференция лежит в основе высокоточных сенсоров и может быть использована для квантовых вычислений.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, ученые из Университета Райса и их коллеги продемонстрировали сильную интерференцию между фононами — колебаниями в структуре материала, которые представляют собой мельчайшие единицы (кванты) тепла или звука в системе. Явление, известное как резонанс Фано, при котором два фонона с разными частотными распределениями интерферируют друг с другом, оказалось на два порядка сильнее, чем любые ранее зарегистрированные случаи.

«Хотя это явление хорошо изучено для частиц, таких как электроны и фотоны, интерференция между фононами исследована гораздо меньше», — отметил Кунянь Чжан, бывший постдокторант Университета Райса и первый автор исследования. «Это упущенная возможность, поскольку фононы могут сохранять волновое поведение в течение длительного времени, что делает их перспективными для создания стабильных высокопроизводительных устройств».

Доказав, что фононами можно управлять так же эффективно, как светом или электронами, исследование открывает путь к созданию технологий нового поколения на основе фононов. Прорыв команды стал возможен благодаря использованию двумерного металла на основе карбида кремния. Применив метод конфайнментной гетероэпитаксии, ученые разместили всего несколько слоев атомов серебра между графеном и карбидом кремния, создав прочную границу раздела с выдающимися квантовыми свойствами.

«Двумерный металл запускает и усиливает интерференцию между различными колебательными модами в карбиде кремния, достигая рекордных уровней», — пояснил Чжан.

Команда изучала интерференцию фононов, анализируя форму их сигнала в рамановской спектроскопии — методе, измеряющем колебательные моды материала. Спектр показал резко асимметричную форму линии, а в некоторых случаях — полное проваление, формируя антирезонансный паттерн, характерный для интенсивной интерференции.

Эффект оказался чрезвычайно чувствительным к особенностям поверхности карбида кремния. Сравнение трех различных типов поверхностей показало четкую связь между каждой поверхностью и ее уникальной формой рамановской линии. Более того, когда исследователи добавили к поверхности одну молекулу красителя, форма спектральной линии резко изменилась.

«Эта интерференция настолько чувствительна, что может обнаружить присутствие одной молекулы», — подчеркнул Чжан. «Это позволяет проводить безындикаторное обнаружение отдельных молекул с помощью простой и масштабируемой установки. Наши результаты открывают новый путь для использования фононов в квантовом зондировании и молекулярном детектировании следующего поколения».

Изучив динамику эффекта при низких температурах, ученые подтвердили, что интерференция обусловлена исключительно взаимодействием фононов, а не электронов, что является редким случаем чисто фононной квантовой интерференции. Эффект наблюдался только в конкретной системе двумерного металла/карбида кремния, использованной в исследовании, и отсутствует в обычных объемных металлах. Это связано с особыми путями перехода и конфигурациями поверхности, обеспечиваемыми атомарно тонким металлическим слоем.

Исследование также изучило возможность использования других двумерных металлов, таких как галлий или индий, для создания аналогичных эффектов. Тонкая настройка химического состава этих промежуточных слоев позволит создавать интерфейсы с заданными квантовыми свойствами.

«По сравнению с традиционными сенсорами наш метод обеспечивает высокую чувствительность без необходимости использования специальных химических меток или сложной настройки устройства», — отметил Шэнси Хуан, доцент электротехники, вычислительной техники и наноинженерии материалов в Университете Райса и автор-корреспондент исследования. «Этот фононный подход не только продвигает молекулярное зондирование, но и открывает захватывающие возможности в сборе энергии, управлении теплом и квантовых технологиях, где контроль над колебаниями играет ключевую роль».

Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС США, Фондом Уэлча и Университетом Северного Техаса.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Райса.