Реверсивное вращение

Nature, том 620, страницы 538–544 (2023 г.) Процитировать эту статью

7177 Доступов

124 Альтметрика

Подробности о метриках

Молекулы представляют собой универсальную платформу для квантовой информатики1,2 и являются кандидатами на применение в сенсорных и вычислительных приложениях3,4. Надежные спин-оптические интерфейсы являются ключом к использованию квантовых ресурсов материалов5. На сегодняшний день кандидаты на основе углерода не люминесцируют6,7, что предотвращает оптическое считывание посредством излучения. Здесь мы сообщаем об органических молекулах, демонстрирующих как эффективную люминесценцию, так и выход генерации возбужденных состояний, близкий к единице, со спиновой множественностью S > 1. Это было достигнуто путем создания энергетического резонанса между эмиссионными дублетными и триплетными уровнями, здесь на ковалентно связанных трис(2,4, 6-трихлорфенил)метилкарбазольные радикалы и антрацен. Мы наблюдали, что дублетное фотовозбуждение делокализовалось на связанном ацене в течение нескольких пикосекунд и впоследствии эволюционировало в чистое высокоспиновое состояние (квартет для монорадикала, квинтет для бирадикала) смешанного радикально-триплетного характера вблизи 1,8 эВ. Эти высокоспиновые состояния когерентно адресуются с помощью микроволн даже при температуре 295 К, при этом оптическое считывание обеспечивается за счет обратного межкомбинационного перехода в эмиссионные состояния. Более того, для бирадикала при возвращении в основное состояние ранее некоррелированные радикальные спины по обе стороны от антрацена демонстрируют сильную спиновую корреляцию. Наш подход одновременно поддерживает высокую эффективность инициализации, манипуляций со вращением и считывания на основе света при комнатной температуре. Интеграция люминесценции и состояний с высоким спином создает платформу из органических материалов для новых квантовых технологий.

Значительный прогресс был достигнут в разработке молекулярных систем, соответствующих критериям Ди Винченцо для практических кубитов8. Оптическая адресация была продемонстрирована в металлоорганических комплексах с триплетными основными состояниями при гелиевых температурах9. Родственные комплексы демонстрируют впечатляющее время спиновой когерентности, достигающее микросекундного диапазона при комнатной температуре10. Структуры без атомов металлов могут быть более невосприимчивы к декогеренции11, и такие полностью органические молекулы использовались в нескольких демонстрациях квантовых эффектов12,13,14.

Радикальные органические молекулы содержат неспаренные электроны, которые можно стабилизировать с помощью химического дизайна. Достигнуты успехи в использовании нелюминесцентных радикалов, ковалентно связанных с хромофорами, и такие структуры могут поддерживать возбужденные состояния с высокой спиновой множественностью6,7. Присутствие радикала может увеличить скорость межкомбинационного перехода (ISC), что приводит к накоплению триплетных состояний хромофора15. Если обмен между триплетным (S = 1) и радикальным (S = 1/2) спином больше, чем все другие магнитные взаимодействия, то возникают отдельный квартет («трип-квартет», S = 3/2) и дублет («трип-квартет», S = 3/2) и дублет («трип-квартет», S = 3/2). дублет', S = 1/2) образуется пара состояний16. Если дополнительно присоединить второй радикал, может быть достигнуто состояние квинтета («трип-квинтет», S = 2)17. Высокоспиновые состояния позволяют создавать плотные архитектуры с несколькими кубитами, размещенными в одном многообразии подуровней вращения18. Такие многоуровневые кубиты, называемые кудитами, обеспечивают преимущества масштабируемости в квантовых вычислениях19. Кудитное поведение квартетных состояний недавно было продемонстрировано в PDI-TEMPO при 80 К (ссылка 20). Однако современные высокоспиновые структуры имеют большие (около 1 эВ) энергетические зазоры между фотогенерированным синглетным состоянием хромофора и триплетным многообразием6,17,21. Что особенно важно, это предотвращает обратный переход ISC (RISC) в люминесцентное состояние. Таким образом, все органические высокоспиновые системы с S > 1 на сегодняшний день неэмиссионны, что делает оптическое считывание невозможным.

В то время как большинство стабильных радикалов не излучают, в настоящее время существует класс люминесцентных радикалов, которые обеспечивают полностью разрешенное по спину излучение внутри дублетного коллектора22. Набор доступных молекулярных структур и диапазон их оптических длин волн расширяется23,24. Рекордная эффективность темно-красных и инфракрасных светодиодов была недавно достигнута в трис(2,4,6-трихлорфенил)метильных (ТТМ) радикалах, связанных с карбазольными донорами электронов25.