Dense pentacene cocrystal demonstrates room-temperature coherent control

Stel je een wereld voor waarin we sensoren zouden kunnen bouwen die zo gevoelig zijn dat ze de zwakste magnetische fluisteringen van een enkel atoom detecteren, of temperatuurveranderingen kunnen meten die kleiner zijn dan een ademtocht van lucht. Dit is de belofte van quantumsensing, een veld dat vertrouwt op minuscule, draaiende deeltjes die "spins" worden genoemd om als microscopische sondes te fungend. Om deze sensoren goed te laten werken, moeten wetenschappers zoveel mogelijk van deze draaiende deeltjes mogelijk in een kleine ruimte proppen; hoe meer ze er hebben, hoe duidelijker het signaal. Echter, er is een hardnekkig probleem: wanneer je deze deeltjes te dicht op elkaar propt, beginnen ze tegen elkaar aan te botsen, wat hun delicate spins verstoort en ervoor zorgt dat het signaal bijna onmiddellijk vervaagt. Het is een klassieke afweging waarbij het vergroten van het aantal sensoren de kwaliteit die nodig is om ze uit te lezen, vernietigt.

Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd dit op te lossen door de sensoren te verdunnen, door slechts een paar van hen te mengen in een zee van inactief materiaal om ze uit elkaar te houden. Hoewel dit werkt, beperkt het hoe sterk het signaal ooit kan zijn. Een team wetenschappers heeft nu een manier gevonden om deze regel te breken. Ze hebben een nieuw type kristal gecreëerd waarin de sensoren ongelooflijk dicht op elkaar gepakt zijn—meer dan honderd keer dichter dan eerdere records—en toch slagen ze erin om hun spins coherent en leesbaar te houden bij kamertemperatuur. Ze bereikten dit niet door de sensoren uit elkaar te houden, maar door ze in een specifiek patroon zorgvuldig te arrangeren, waardoor ze elkaar niet in de weg zitten.

De onderzoekers, werkend met een team van de University of California, Berkeley, en andere instellingen, richtten zich op een molecuul genaamd pentaceen. Pentaceen is uitstekend voor detectie omdat de spins ervan gecontroleerd en uitgelezen kunnen worden met licht, maar het lijdt meestal onder het pakkingsprobleem. Wanneer er te veel pentaceenmoleculen dicht bij elkaar worden geplaatst, beginnen ze energie op een manier te delen die hun spins door elkaar husselt. Om dit op te lossen, heeft het team een speciaal kristal gekweekt dat bestaat uit twee verschillende soorten moleculen: pentaceen en een verwant molecuul genaamd 6,13-dihydroperntaceen. Ze kweekten deze kristallen door pentaceen in een gecontroleerde omgeving te verhitten, waardoor het transformeerde en opnieuw werd geassembleerd in een naaldachtige structuur waarbij de twee moleculen in een precieze verhouding van twee-op-één zitten.

In dit nieuwe kristal zijn de pentaceenmoleculen gepakt met een dichtheid van ongeveer 33 procent, wat betekent dat één op de drie plekken in het kristalrooster bezet wordt door een sensor. Dit is een enorme concentratie, die de mogelijkheden van andere materialen zoals diamanten of eerder gedoteerde kristallen ver overstijgt. Het team mat de afstand tussen deze gepakte moleculen en vond deze ongelooflijk klein, gescheiden door slechts ongeveer vier angström. In een typische opstelling zou dergelijke nabijheid ervoor zorgen dat de sensoren botsen en hun kwantumeigenschappen bijna onmiddellijk verliezen. Toch, toen de onderzoekers een groene laser op de kristallen schijnen, merkten ze dat de pentaceenmoleculen nog steeds een duidelijk rood licht uitstraalden en, belangrijker nog, hun spins bleven stabiel gedurende microseconden.

Om te begrijpen waarom deze dichte pakking het signaal niet vernietigde, keken de onderzoekers nauwgezet naar hoe de moleculen met elkaar interageren. Ze gebruikten een techniek genaamd transient electron paramagnetic resonance, die werkt als een hogesnelheidscamera voor magnetische spins, om te zien hoe de moleculen zich gedragen nadat ze door licht zijn geraakt. Ze ontdekten dat de spins op een specifieke, ordelijke manier werden gegenereerd die de chaotische energieoverdrachten vermijdt die normaal gesproken in dichte groepen voorkomen. Bovendien gebruikten ze computersimulaties om het energielandschap van het kristal in kaart te brengen. De simulaties onthulden dat de unieke geometrie van het kristal als een barrière fungeert. De naburige moleculen zijn zodanig gepositioneerd dat hun elektronische wolken niet significant overlappen, en de energie die nodig is voor een spin om van het ene naar het andere molecuul te springen, is te hoog. Dit vangt de spin effectief op het oorspronkelijke molecuul, waardoor de kettingreactie van interferentie die het signaal gewoonlijk ruïneert, wordt voorkomen.

De resultaten werden bevestigd door een reeks nauwkeurige metingen. Het team demonstreerde dat ze de spins van de gehele dichte groep konden manipuleren met behulp van microgolfpulsen, waardoor ze in een gecontroleerd ritme gingen oscilleren. Ze maten hoe lang deze spins in sync konden blijven en vonden dat ze hun coherentie behielden voor ongeveer 0,87 microseconden, en tot 1,6 microseconden met speciale technieken om ruis te elimineren. Hoewel deze tijd kort is in menselijke termen, is het een aanzienlijke prestatie voor een zo dicht materiaal en is het vergelijkbaar met veel meer verdunde systemen. Ze maten ook het vermogen van het kristal om magnetische velden te detecteren, waarbij ze een gevoeligheid schatten die, hoewel nog niet geoptimaliseerd, bewijst dat het concept werkt.

Dit werk suggereert dat de sleutel tot het bouwen van betere kwumsensoren niet alleen ligt in het materiaal zelf, maar in hoe het is gerangschikt. Door gebruik te maken van een "coformer"—een tweede molecuul dat helpt bij het bouwen van de kristalstructuur—zijn de onderzoekers erin geslaagd een omgeving te creëren waar hoge dichtheid en hoge prestaties naast elkaar bestaan. Het kristal fungeert als een steiger die de sensoren in een perfecte, niet-storende uitlijning vasthoudt. Deze aanpak opent de deur naar een nieuwe klasse materialen waarbij sensoren zo dicht mogelijk gepakt kunnen worden zonder hun vermogen om te communiceren te verliezen. Het transformeert de uitdaging van quantumsensing van een spel om dingen uit elkaar te houden naar een spel van ze precies goed arrangeren, wat een veelbelovend pad biedt naar krachtigere en compactere sensoren voor het meten van de onzichtbare krachten van onze wereld.