Цвет органической молекулы впервые указал на ее квантовое состояние

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.

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. Источник материала и фото: "Naked Science"