Разработан инновационный метод получения квантовой информации, основанный на наблюдении за изменением цвета. Ученые-химики создали органическую молекулу, меняющую свечение с оранжевого на инфракрасное, что непосредственно демонстрирует ориентацию спинов ее электронов.
Квантовые технологии базируются на способности контролировать и определять квантовые состояния отдельных частиц, таких как электроны. Каждый электрон обладает уникальной квантовой характеристикой, известной как спин. Его можно представить как миниатюрный внутренний магнит. Спин электрона может быть ориентирован в одном из двух направлений — условно «вверх» или «вниз». Именно эта двойственность позволяет применять его для хранения и обработки квантовой информации. Технологии, использующие спин для проведения высокоточных измерений, обозначаются как квантовые сенсоры.
Эти сенсоры демонстрируют значительный потенциал для применения в научных и инженерных разработках, в особенности в биомедицинских исследованиях. Они способны регистрировать изменения магнитных полей, температуры или химического состава среды с большей чувствительностью, чем традиционные приборы. Ранее для изготовления подобных устройств требовались экзотические и дорогостоящие материалы.
Широкую известность получили наноалмазы, содержащие специфические дефекты в кристаллической структуре, такие как азот-вакансионные центры. Производство и точное размещение этих структур представляет собой сложную и затратную процедуру, что препятствует их широкому использованию.
Органические молекулы, основанные на углероде, также могут служить альтернативой. Ключевым достоинством этого варианта является возможность целенаправленного синтеза, позволяющего создавать соединения с заданными свойствами. Специалисты могут модифицировать их структуру, подобно сборке конструктора, для достижения требуемых характеристик.
До сих пор не было создано органической системы, сочетающей в себе высокую эффективность светоизлучения и удобство определения спинового состояния. Новое исследование устранило эту трудность, предложив молекулу, где спин и цвет свечения тесно взаимосвязаны. Результаты опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Работа основана на молекуле-дирадикале, в структуре которой присутствуют два неспаренных электрона, каждый из которых имеет свой спин. Два активных блока, состоящие из тритильных радикалов, соединены флуореновым мостиком. Данная структура обеспечивает взаимодействие между двумя электронами.
В зависимости от того, как ориентированы спины электронов, система может находиться в двух основных состояниях. Когда спины обоих электронов направлены в одну сторону, молекула переходит в триплетное состояние. Если спины ориентированы в противоположные стороны, она находится в синглетном состоянии. Важным результатом работы является то, что эти два состояния проявляют разные цвета свечения. Это позволяет непосредственно определять спиновую конфигурацию системы.
В триплетном состоянии молекула испускала интенсивное свечение оранжево-красного цвета с длиной волны 640 нанометров. В то время как в синглетном состоянии, излучение находилось в ближнем инфракрасном диапазоне и имело длину волны 700 нанометров.
Различия обусловлены основными энергетическими изменениями, происходящими внутри молекулы. Энергия синглетного состояния характеризуется так называемой энергией Хаббарда — это избыточная энергия, необходимая для размещения двух электронов в одном и том же участке молекулы. Разработанная молекула имеет такую структуру, что энергия данного состояния оказалась меньше энергии триплетного, что и обусловило различные цвета излучения. Фотолюминесцентный квантовый выход, отражающий эффективность преобразования поглощенной энергии в свет, для обоих состояний составил практически 100%.
Ученые показали возможность контроля над квантовым состоянием молекулы. При температуре, близкой к абсолютному нулю (0,25 Кельвина), и при отсутствии внешнего воздействия система спонтанно переходит в синглетное состояние и излучает свет в инфракрасной области спектра.
При создании магнитного поля, превышающего 0,6 тесла, спины электронов выстраиваются параллельно друг другу. В результате молекула переходит в триплетное состояние и начинает излучать оранжевый свет. Также, используя микроволновые импульсы, исследователям удалось добиться когерентного управления спинами, то есть точно переключать их между состояниями, что является основой квантовых вычислений.
Система демонстрировала высокую стабильность, обеспечивая время сохранения квантовой фазы в 950 наносекунд. В ходе магниторезонансных исследований химикам удалось добиться изменения интенсивности свечения на 10%, что свидетельствует о выраженной взаимосвязи между спином и оптическими характеристиками.
Изучение позволило создать новые углеродные материалы, обладающие контролируемыми спин-оптическими характеристиками. В отличие от твердотельных систем, таких как дефекты в алмазах, производство и интеграция которых затруднены, органические молекулы могут быть синтезированы в больших объемах и их структуру можно целенаправленно модифицировать. Это создает надежную основу для дальнейшего развития оптически управляемых квантовых платформ.