Ученые впервые определили квантовое состояние молекулы по ее цвету.

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.

Читайте также:  Как упаковка влияет на крафтовое пиво: исследование ученых

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.

Читайте также:  Искусственный интеллект поможет ученым прочитать древние свитки из Геркуланума

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.

Читайте также:  В Великобритании научились создавать алмазы из воздуха с нулевым углеродным следом.

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.