A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

Nella ricerca di macchine in grado di risolvere problemi che vanno ben oltre la portata dei computer odierni, gli scienziati si stanno rivolgendo alle unità di informazione più piccole possibili. Per decenni, l'attenzione si è concentrata sul qubit, un minuscolo interruttore che può esistere in due stati contemporaneamente, proprio come una moneta che ruota su un tavolo ed è sia testa che croce finché non si ferma. Tuttavia, la natura offre una tavolzza più ricca di sole due opzioni. Proprio come una scala musicale ha più di due note, i sistemi quantistici possono essere progettati per contenere più stati simultaneamente. Queste unità multi-stato, note come qudit, potrebbero sbloccare nuovi modi per elaborare informazioni e percepire il mondo con estrema precisione. La sfida risiede nel trovare materiali che possano mantenere questi stati complessi in modo stabile, permettendo al contempo agli scienziati di leggere e scrivere informazioni utilizzando la luce, un metodo che è veloce e preciso.

Un team di ricercatori ha ora creato un nuovo elemento costruttivo molecolare che porta questo concetto più vicino alla realtà. Hanno progettato una singola molecola organica stabile che agisce come un qudit emittente di luce. Questa molecola è costruita da tre gruppi radicalici identici — strutture chimiche con un elettrone spaiato — disposti attorno a un anello centrale. Collegando queste tre parti in un modo specifico, gli scienziati hanno costretto gli elettroni spaiati ad allineare i loro spin in modo cooperativo, creando uno stato fondamentale con quattro livelli di energia distinti invece dei soliti due. Questa struttura non è solo una curiosità teorica; brilla di luce quando viene eccitata, e il colore e la tempistica di quel bagliore rivelano lo stato interno degli elettroni. I ricercatori hanno dimostrato di poter usare un laser per preparare la molecola in uno stato specifico, controllarla con microonde e leggere il risultato attraverso la sua emissione luminosa, con inizializzazione e lettura ottica possibili a temperatura ambiente.

La molecola, che i ricercatori chiamano triradicale, è costruita attaccando tre gruppi tritile a un anello fenilico centrale. I gruppi tritile sono noti per essere stabili e avere proprietà magnetiche uniche, ma combinare tre di essi in un singolo'unità luminosa ha richiesto una progettazione attenta. Il team ha utilizzato un processo chimico per collegare le tre parti, assicurandosi che fossero distanziate quanto basta per interagire senza distruggere la stabilità l'una dell'altra. Esaminando la molecola, hanno scoperto che possedeva due distinti set di stati energetici: uno stato doublet con due possibili configurazioni e uno stato quartet con quattro. Fondamentalmente, il quartet dello stato fondamentale si trova leggermente più in basso in energia rispetto al doublet di circa 1 meV, il che risulta in una popolazione quasi uguale di doublet e quartet a temperatura ambiente. Questo mix quasi equo è vitale perché permette al sistema di accedere a una gamma più ampia di stati informativi rispetto a un semplice sistema a due stati.

Quando i ricercatori hanno illuminato la molecola con un laser blu, questa ha assorbito l'energia e ha iniziato a brillare. Hanno osservato due colori distinti di luce emergere dal campione: un bagliore a 633 nanometri e un rosso più profondo a 690 nanometri. Misurando quanto durava ciascun colore, hanno scoperto che la luce a 633 nanometri proveniva dallo stato quartet e svaniva rapidamente, mentre la luce a 690 nanometri proveniva dallo stato doublet e persisteva più a lungo, dominando la fotoluminescenza ritardata. Questa separazione ha permesso loro di distinguere tra i due tipi di stati semplicemente guardando il colore e la tempistica della luce. Il team ha anche scoperto che la molecola poteva essere manipolata da campi magnetici. Quando hanno applicato un debole campo magnetico di soli 5 millitesla, la luminosità della luce è cambiata fino al 3%. Questa sensibilità suggerisce che la molecola potrebbe agire come un sensore altamente efficace per rilevare minuscole fluttuazioni magnetiche nel suo ambiente.

Per dimostrare che la molecola potesse funzionare come un dispositivo quantistico, gli scienziati hanno eseguito una serie di test per vedere se potevano controllare gli spin elettronici. Hanno utilizzato un flash laser per preparare la molecola in una specifica configurazione di spin, un processo noto come inizializzazione ottica. Immediatamente dopo il flash, hanno usato impulsi di microonde per sondare lo stato della molecola. Hanno scoperto che gli spin potevano essere controllati coerentemente, il che significa che i ricercatori potevano guidare lo stato quantistico con precisione. La molecola ha mantenuto questa informazione per un tempo sorprendentemente lungo, con il tempo di rilassamento spin-reticolo che raggiungeva oltre i 150 microsecondi, stabilendo un limite superiore a quanto tempo lo stato potesse persistere. Sebbene gli esperimenti di controllo coerente siano stati eseguiti a basse temperature per estendere questi tempi, i risultati indicano che il materiale è un candidato valido per la memorizzazione delle informazioni. Inoltre, hanno dimostrato di poter indirizzare le diverse parti dello stato quartet separatamente, una capacità essenziale per utilizzare la molecola come un processore multi-stato piuttosto che come un semplice interruttore on-off.

I ricercatori hanno anche esplorato come la molecola si comporta sotto diverse condizioni, come variazioni di temperatura e campi magnetici. Hanno scoperto che il divario energetico tra gli stati doublet e quartet era incredibilmente piccolo, solo circa 1 millielectronvolt. Questa differenza minuscola significa che l'energia termica a temperatura ambiente è sufficiente a mantenere la molecola in movimento tra questi stati, il che è insolito per i sistemi quantistici che spesso richiedono temperature di congelamento per rimanere stabili. Il team ha confermato che il comportamento della molecola corrispondeva ai loro modelli teorici, escludendo la possibilità che impurità o reazioni chimiche incomplete causassero gli effetti osservati. Hanno anche mostrato che la molecola poteva essere utilizzata per la risonanza magnetica rilevata otticamente, una tecnica in cui le microonde vengono usate per cambiare lo stato magnetico della molecola, che viene poi rilevato da un cambiamento nella luce che emette. Questo metodo ha funzionato efficacemente a temperatura ambiente, un vantaggio significativo rispetto a molti altri materiali quantistici che devono essere mantenuti vicino allo zero assoluto.

Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nello sviluppo di materiali quantistici organici. Creando una molecola che combina stabilità, emissione di luce e controllo multi-stato, i ricercatori hanno fornito un nuovo strumento per il sensing e il computing quantistico. La capacità di leggere e scrivere informazioni usando la luce, combinata con la robustezza della molecola a temperatura ambiente, apre possibilità per l'integrazione della tecnologia quantistica nei dispositivi di uso quotidiano. Sebbene la molecola sia attualmente un prototipo di laboratorio, i suoi principi di progettazione offrono una chiara via per futuri miglioramenti. I ricercatori suggeriscono che, modificando la simmetria della molecola, potrebbero separare ulteriormente i livelli di energia, rendendo ancora più facile il controllo dei singoli stati. Questa molecola non è solo un nuovo composto chimico; è una dimostrazione che il comportamento quantistico complesso può essere ingegnerizzato in strutture organiche semplici, portando il sogno di dispositivi quantistici su scala molecolare un passo più vicino alla realtà.