Цвет органической молекулы впервые указал на ее квантовое состояние

❋ 5.1

Появился принципиально новый способ считывать квантовую информацию, только лишь наблюдая за изменением цвета. Химики синтезировали органическую молекулу, которая светится то оранжевым, то инфракрасным, напрямую указывая на ориентацию спинов ее электронов.

Химия

# квантовые технологии

# органическая химия

# спин

Графический абстракт статьи: синглетное и триплетное состояние созданной молекулы излучают в разных диапазонах / © Rituparno Chowdhury et. al./Nature Chemistry

Основа квантовых технологий — это умение управлять и считывать квантовые состояния отдельных частиц, например, электронов. У каждого электрона есть собственная квантовая характеристика, которая называется спином. Его можно упрощенно представить как крошечный внутренний магнит. Спин электрона может быть направлен в одну из двух сторон — условно «вверх» или «вниз». Именно эта двойственность позволяет использовать его для хранения и обработки квантовой информации. Технологии, которые используют спин для сверхточных измерений, называют квантовыми сенсорами.

Такие сенсоры обладают потенциалом в науке и технике, особенно в биомедицинских исследованиях. Они могут улавливать изменения магнитных полей, температуры или химического состава среды с чувствительностью, недоступной для классических приборов. До недавнего времени для создания подобных устройств использовали экзотические и дорогостоящие материалы.

Самый известный пример — это наноразмерные алмазы с особыми дефектами в кристаллической решетке, например, с азот-вакансионными центрами. Создание и точное позиционирование таких структур — сложный и дорогой процесс, который ограничивает их массовое применение.

Альтернативой могут стать органические молекулы на основе углерода. Их главное преимущество — возможность целенаправленного синтеза с заранее заданными свойствами. Химики могут изменять их структуру, словно собирая конструктор, чтобы добиться нужных характеристик.

Пока не удавалось создать органическую систему, которая была бы одновременно и высокоэффективным источником света, и позволяла бы легко считывать спиновое состояние. Новое исследование решило эту проблему и представило молекулу, в которой спин и цвет свечения неразрывно связаны. Результаты опубликованы в журнале Nature Chemistry.

В основе работы — молекула-дирадикал. В ее структуре есть два неспаренных электрона, каждый со своим спином. Два активных блока — тритильных радикала соединены между собой специальным флуореновым мостиком. Такая архитектура позволяет двум электронам взаимодействовать друг с другом.

В зависимости от взаимной ориентации их спинов, система может находиться в двух основных состояниях. Если спины обоих электронов направлены в одну сторону, молекула переходит в триплетное состояние. Если же спины направлены в противоположные стороны, она оказывается в синглетном состоянии. Ключевое достижение работы состоит в том, что в этих двух состояниях молекула светится разным цветом. Это позволяет напрямую «увидеть» спиновую конфигураци системы.

Когда молекула находилась в триплетном состоянии, она излучала яркий оранжево-красный свет с длиной волны 640 нанометров. Напротив, в синглетном состоянии свет излучался в ближнем инфракрасном диапазоне с длиной волны 700 нанометров.

Молекулярная структура люминесцентных дирадикальных спин-оптических единиц и схемы квантовых состояний и переноса заряда / Rituparno Chowdhury et. al./Nature Chemistry

Такая разница связана с фундаментальными энергетическими процессами внутри молекулы. Энергия синглетного состояния определяется так называемой энергией Хаббарда — это дополнительная энергия, которая требуется, чтобы разместить два электрона на одном молекулярном участке. В созданной молекуле ученым удалось подобрать структуру так, чтобы энергия этого состояния оказалась ниже, чем энергия триплетного, что и привело к разным цветам излучения. При этом фотолюминесцентный квантовый выход, то есть эффективность преобразования поглощенной энергии в свет, для обоих состояний достигла почти 100%.

Исследователи продемонстрировали, что могут управлять квантовым состоянием молекулы. При очень низкой температуре, около 0,25 кельвина, и в отсутствие внешнего поля система естественным образом переходит в синглетное состояние и светится в инфракрасном диапазоне.

Если же приложить достаточно сильное магнитное поле — выше 0,6 тесла, — оно заставляет спины электронов выстроиться в одном направлении. Молекула переключается в триплетное cостояние и начинает светиться оранжевым. Кроме того, с помощью микроволновых импульсов ученые осуществили когерентное управление спинами — точно переключали их между состояниями, а это и есть краеугольный камень квантовых вычислений.

Система обладала хорошей устойчивостью: время сохранения квантовой фазы составило 950 наносекунд. При проведении магниторезонансных экспериментов химики достигли изменения яркости свечения в 10%, что указывает на очень сильную связь между спином и оптическими свойствами.

Работа открыла новый класс углеродных материалов с управляемыми спин-оптическими свойствами. В отличие от твердотельных систем вроде дефектов в алмазах, которые сложно производить и интегрировать в устройства, органические молекулы можно синтезировать в больших количествах и целенаправленно изменять их структуру. Это предоставляет прочную и неожиданную основу для дальнейшей разработки оптически управляемых квантовых платформ.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Автор материалов на стыке разных областей знания — от археологии и палеонтологии до физики и технологий. Интересуется тем, как работает мир, и рассказывает об этом понятно и увлекательно.