Optical Detection of Coherent Nuclear Spin Control in a Molecular System at Room Temperature

Sintesi Tecnica: Rilevamento Ottico del Controllo Coerente dello Spin Nucleare in un Sistema Molecolare a Temperatura Ambiente

Problematica
Gli spin elettronici otticamente indirizzabili in sistemi molecolari offrono piattaforme versatili per il sensing quantistico, combinando proprietà di qubit sintonizzabili con un controllo spaziale su scala molecolare. Sebbene gli spin nucleari accoppiati forniscano una risorsa critica per potenziare le prestazioni di sensing grazie ai loro lunghi tempi di vita (agendo come memorie quantistiche), l'accesso e il controllo di questi spin nucleari a temperatura ambiente all'interno di sistemi molecolari è rimasto inesplorato. Precedenti dimostrazioni di risonanza magnetica nucleare rilevata otticamente (OD-NMR) e di controllo coerente dello spin nucleare sono state limitate a temperature criogeniche o a difetti allo stato solido (ad esempio, i centri azoto-vacanza nel diamante). Affinché i sistemi molecolari possano realizzare il pieno potenziale dei registri elettrone-nucleo per il sensing quantistico, devono essere soddisfatti due requisiti specifici: (i) il rilevamento ottico della risonanza magnetica nucleare e (ii) il controllo coerente otticamente rilevato degli stati di spin nucleare, entrambi a temperatura ambiente.

Metodologia
Gli autori hanno utilizzato una molecola di 6,13-diazapentacene (DAP), un derivato del pentacene sostituito con $^{14}\text{N}$, drogata in un cristallo ospite di para-terfen (PTP). Il sistema si basa sullo stato di tripletto fotoeccitato del DAP, dove l'eccitazione ottica induce un incrocio intersistema (ISC) spin-selettivo dallo stato fondamentale singoletto ($|S_0\rangle$) al manifold di tripletto ($|T_1\rangle$), creando uno spin elettronico polarizzato.

L'apparato sperimentale prevedeva:

• Indirizzabilità Ottica: Un laser a 520 nm è stato utilizzato per inizializzare lo stato di tripletto e per leggere lo stato di spin tramite variazioni dell'intensità della fotoluminescenza (PL), che dipendono dai percorsi di rilassamento spin-dipendenti.
• Controllo a Microonde (MW): Impulsi di microonde sono stati applicati per pilotare le transizioni tra i sublevel di spin elettronico ($|X\rangle$, $|Y\rangle$, $|Z\rangle$) per manipolare le popolazioni di spin elettronico.
• Controllo a Radiofrequenza (RF): Impulsi a radiofrequenza sono stati utilizzati per pilotare le transizioni degli spin nucleari del $^{14}\text{N}$ con $I=1$.
• Sequenza OD-ENDOR: Il team ha impiegato una sequenza di impulsi OD-ENDOR di tipo Davies. Ciò comportava:
  1. Inizializzazione ottica.
  2. Un impulso $\pi$ di microonde selettivo per creare polarizzazione dello spin nucleare all'interno di un particolare sublevel elettronico.
  3. Un impulso RF per pilotare le transizioni tra gli stati di spin nucleare.
  4. Un secondo impulso $\pi$ di microonde per mappare i cambiamenti nelle popolazioni di spin nucleare nuovamente sulle popolazioni di spin elettronico.
  5. Lettura ottica della risultante differenza di intensità della PL.

Risultati Chiave

1. OD-NMR a Temperatura Ambiente: Gli autori hanno dimostrato con successo la prima rilevazione ottica della NMR in un sistema molecolare a temperatura ambiente. Scansionando la frequenza RF mentre veniva applicato un impulso MW selettivo sulla transizione $|X\rangle \leftrightarrow |Z\rangle$, hanno osservato tre risonanze distinte a 0,60, 2,91 e 3,51 MHz. Queste risonanze corrispondono alle transizioni tra gli stati propri quadrupolari dei nuclei di $^{14}\text{N}$ all'interno del manifold elettronico $|Z\rangle$, che presenta tempi di vita più lunghi. L'adattamento dello spettro ha fornito una costante di accoppiamento quadrupolare $|e^2qQ/h| = 4,28$ MHz e un parametro di asimmetria $\eta = 0,28$, valori coerenti con i calcoli della teoria del funzionale della densità e con sistemi strutturalmente correlati.
2. Controllo Coerente dello Spin Nucleare: Lo studio ha ottenuto il controllo coerente otticamente rilevato degli spin nucleari di $^{14}\text{N}$. Selezionando le frequenze MW e RF risonanti associate alla transizione $|X\rangle \leftrightarrow |Y\rangle$ e variando la durata dell'impulso RF, gli autori hanno osservato chiare oscillazioni di Rabi degli spin nucleari.
3. Frequenze di Rabi Potenziate dall'Iperfine: Le frequenze di Rabi nucleari osservate sono dell'ordine dei MHz. Ciò rappresenta un potenziamento di circa tre ordini di grandezza rispetto alla frequenza di guida nucleare diretta attesa (~330 Hz). Questo potenziamento è attribuito a un forte mixing iperfine tra gli spin elettronici e nucleari all'interno dei manifold $|X\rangle$ e $|Y\rangle$, mediato da termini di perturbazione del secondo ordine ($A_{zz}^2/2E$). Tale mixing conferisce un carattere elettronico parziale alle transizioni nucleari, permettendo loro di accoppiarsi fortemente al campo RF applicato.
4. Dipendenza dalla Potenza e dal Detuning: La frequenza di Rabi nucleare ha mostrato una dipendenza lineare dalla radice quadrata della potenza RF, coerente con un pilotaggio coerente. Detunando la frequenza RF dalla risonanza, si è osservato l'atteso aumento della frequenza di oscillazione, confermando la natura coerente del controllo.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo rivendica di presentare la prima dimostrazione sia della OD-NMR che del controllo coerente otticamente rilevato dello spin nucleare in un sistema molecolare a temperatura ambiente. Il lavoro stabilisce che i sistemi molecolari possono supportare qubit a spin nucleare otticamente leggibili in condizioni ambientali.

Gli autori sottolineano che il forte accoppiamento iperfine in questo sistema facilita rotazioni coerenti nucleari veloci, il che è cruciale per ridurre il tempo di overhead negli schemi di sensing dello spin elettrone-nucleo. Essi postulano che questo lavoro getti le basi per sfruttare gli spin nucleari come memorie per potenziare il sensing quantistico basato su molecole. Inoltre, la sintonizzabilità sintetica dei sistemi molecolari offre una via unica per ingegnerizzare gli ambienti di spin nucleare, ottimizzare gli accoppiamenti iperfine e bilanciare i tempi di gate rispetto alla decoerenza. La capacità di attivare e disattivare l'interazione iperfine tramite eccitazione ottica (a causa dello stato fondamentale privo di spin dei tripletto fotoeccitati) è evidenziata come un potenziale meccanismo per estendere la coerenza dello spin nucleare mantenendo al contempo rapidi tempi di gate e capacità di lettura ottica.

Lo studio non rivendica di aver raggiunto ancora il readout single-shot o applicazioni specifiche di sensing su scala nanometrica, ma stabilisce la capacità fondamentale di inizializzare, controllare coerentemente e leggere gli spin nucleari in una piattaforma molecolare a temperatura ambiente, un prerequisito per tali applicazioni avanzate.