Квантовое зондирование имеет преобразующий потенциал во многих областях техники и науки, особенно в биомедицинских исследованиях. Основная идея заключается в обнаружении и управлении спиновым состоянием электрона — магнитными свойствами электронов, которые можно использовать для хранения квантовой информации с помощью света. Ранее эта возможность была ограничена высокоэкзотическими или дорогостоящими материалами, такими как наноразмерные алмазы с определёнными атомными дефектами.
Теперь в статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry, учёные сообщили об органической молекуле, построенной из атомов углерода, оптические свойства которой неразрывно связаны со спином её электронов. Она основана на двух небольших молекулярных единицах, каждая из которых несёт непарный электрон (известный как спиновый радикал).
Когда эти две единицы соединяются, образуя дирадикал, два электронных спина могут выравниваться двумя разными способами: указывая в одном направлении (так называемое триплетное состояние) или в противоположных направлениях (синглетное состояние).
«Тонкая настройка молекулярной структуры является ключом к достижению надёжного взаимодействия между двумя спиновыми радикальными единицами», — говорит доктор Петри Мурто, работающий в группе профессора Хьюго Бронштейна на кафедре химии Юсуфа Хамида Кембриджского университета.
Взаимодействие между двумя конфигурациями спинов электронов контролирует цвет молекулы, когда фотон — частица света — поглощается в дирадикале.
«Когда два электронных спина указывают в одном направлении, молекула излучает оранжевый свет; но когда два электронных спина указывают в противоположных направлениях, молекула излучает свет в ближнем инфракрасном диапазоне», — объясняет Ритупарно Чоудхури, первый автор и доктор философии, работающий в группе профессора сэра Ричарда Фрайнда на кафедре физики Кембриджского университета.
«Это позволяет вам очень легко обнаружить и узнать квантовые состояния молекулы, просто посмотрев на цвет».
Поскольку квантовые состояния молекулы чрезвычайно чувствительны к окружающей среде, такой как магнитные поля, температура или химическое окружение, учёные могут обнаруживать изменения в окружающей среде с гораздо большей чувствительностью, чем при использовании традиционных («классических») материалов.
Наблюдаемое изменение цвета связано с известной моделью для магнитных материалов, где энергия Хаббарда — это стоимость размещения двух электронов на одном сайте. Эта модель широко используется для неорганических материалов, включая высокотемпературные сверхпроводники.
«Применяя магнитное поле, мы можем перевести молекулу в триплетное состояние и заставить её светиться оранжевым. При низких температурах без поля доминирует синглетное состояние, и молекула светится в ближнем инфракрасном диапазоне. С помощью микроволновых импульсов они также могут осуществлять переходы между состояниями — своего рода когерентный спиновый контроль, обычно наблюдаемый в гораздо более сложных твердотельных системах», — добавляет доктор Алексей Чепелянски, Université Paris-Saclay.
«Выход цвета можно регулировать с помощью температуры или магнитного поля. Я бы никогда не поверил, что материалы вроде этого могут существовать. Это открывает совершенно новый класс углеродных материалов с управляемыми спин-оптическими свойствами — материалов, которые не только высоколюминесцентны, но и гораздо проще в обработке, чем традиционные материалы», — отмечает профессор Хьюго Бронштейн, кафедра химии Юсуфа Хамида Кембриджского университета.
В более раннем исследовании учёные из Кавендишской лаборатории уже показали, что отдельные спиновые радикальные единицы можно использовать для создания высокоэффективных органических светодиодов (OLED), работающих в красном и ближнем инфракрасном диапазонах.
«Благодаря этому новому достижению мы сделали шаг вперёд: показали, как спиновые взаимодействия в тщательно разработанных дирадикальных молекулах могут настраивать реакцию молекулы на свет, и, в свою очередь, как этот свет можно использовать для считывания или даже управления спиновым состоянием», — отмечает профессор сэр Ричард Фрайнд, Кавендишская лаборатория, Кембриджский университет.
Это новое открытие открывает двери для молекулярной квантовой информации и сенсорных технологий, где небольшой размер, химический контроль и низкая стоимость могут ускорить внедрение.
Предоставлено:
Кембриджский университет.