Rotação reversível

Nature volume 620, páginas 538–544 (2023)Cite este artigo

7177 Acessos

124 Altmétrico

Detalhes das métricas

As moléculas apresentam uma plataforma versátil para a ciência da informação quântica1,2 e são candidatas para aplicações de detecção e computação3,4. Interfaces spin-ópticas robustas são fundamentais para aproveitar os recursos quânticos dos materiais5. Até o momento, os candidatos à base de carbono não são luminescentes6,7, o que impede a leitura óptica por meio de emissão. Aqui relatamos moléculas orgânicas mostrando luminescência eficiente e rendimento de geração quase unitário de estados excitados com multiplicidade de spin S > 1. Isto foi conseguido projetando uma ressonância de energia entre níveis emissivos de dupleto e tripleto, aqui em tris(2,4, radicais 6-triclorofenil)metil-carbazol e antraceno. Observamos que a fotoexcitação do dupleto se deslocalizou para o aceno ligado dentro de alguns picossegundos e posteriormente evoluiu para um estado puro de alta rotação (quarteto para monoradical, quinteto para biradical) de caráter misto radical-tripleto próximo a 1,8 eV. Esses estados de alto spin são endereçáveis ​​de forma coerente com microondas, mesmo a 295 K, com leitura óptica habilitada pelo cruzamento reverso intersistema para estados emissivos. Além disso, para o birradical, ao retornar ao estado fundamental, os spins radicais anteriormente não correlacionados em ambos os lados do antraceno mostram forte correlação de spin. Nossa abordagem suporta simultaneamente uma alta eficiência de inicialização, manipulações de spin e leitura baseada em luz à temperatura ambiente. A integração de luminescência e estados de alta rotação cria uma plataforma de materiais orgânicos para tecnologias quânticas emergentes.

Progressos consideráveis ​​foram feitos no sentido de projetar sistemas moleculares que atendam aos critérios DiVincenzo para qubits práticos8. A endereçabilidade óptica foi demonstrada em complexos organometálicos com estados fundamentais triplos em temperaturas de hélio líquido . Complexos relacionados apresentam tempos de coerência de spin impressionantes, atingindo a faixa de microssegundos à temperatura ambiente . Estruturas sem átomos metálicos podem ser mais imunes à decoerência11, e tais moléculas totalmente orgânicas têm sido utilizadas em diversas demonstrações de efeitos quânticos12,13,14.

Moléculas orgânicas radicais contêm elétrons desemparelhados que podem ser estabilizados por projeto químico. Avanços foram feitos usando radicais não luminescentes que estão covalentemente ligados a cromóforos, e tais estruturas podem suportar estados excitados com alta multiplicidade de spin . A presença de um radical pode aumentar a taxa de cruzamento intersistema (ISC), levando ao acúmulo de estados triplos de cromóforos . Se a troca entre o spin triplo (S = 1) e radical (S = 1/2) for maior do que todas as outras interações magnéticas, um quarteto distinto ('trip-quarteto', S = 3/2) e dupleto ('trip- dupleto', S = 1/2) formas de pares de estados16. Se um segundo radical for acoplado adicionalmente, um estado de quinteto ('trip-quinteto', S = 2) pode ser alcançado . Estados de alto spin permitem a construção de arquiteturas densas com vários qubits hospedados em uma única variedade de subníveis de spin . Esses qubits multiníveis, denominados qudits, oferecem vantagens de escalabilidade na computação quântica19. O comportamento qudit dos estados do quarteto foi recentemente demonstrado em PDI-TEMPO a 80 K (ref. 20). No entanto, as atuais estruturas de alto spin têm grandes lacunas de energia (cerca de 1 eV) entre o estado singleto do cromóforo fotogerado e a variedade tripleto . Criticamente, isso evita o ISC reverso (RISC) para um estado luminescente. Assim, todos os sistemas orgânicos de alto spin com S > 1 até o momento são não emissivos, o que torna a leitura óptica impossível.

Embora a maioria dos radicais estáveis ​​sejam não emissivos, existe agora uma classe de radicais luminescentes que oferecem emissão totalmente permitida por spin dentro da variedade dupleto . O conjunto de estruturas moleculares disponíveis e sua faixa de comprimento de onda óptico está em expansão23,24. Eficiências recordes para diodos emissores de luz vermelho profundo e infravermelho foram recentemente alcançadas em radicais tris (2,4,6-triclorofenil) metil (TTM) ligados a doadores de elétrons de carbazol .