A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

In de zoektocht naar het bouwen van machines die problemen kunnen oplossen die ver buiten het bereik van de huidige computers liggen, richten wetenschappers zich op de kleinste mogelijke eenheden van informatie. Decennialang lag de focus op de qubit, een kleine schakelaar die in twee toestanden tegelijk kan bestaan, vergelijkbaar met een muntstuk dat op een tafel draait en zowel kop als munt is totdat het tot stilstand komt. De natuur biedt echter een rijker palet dan slechts twee opties. Net zoals een toonladder meer dan twee noten heeft, kunnen kwantumsystemen worden ontworpen om meerdere toestanden tegelijkertijd vast te houden. Deze multi-toestandseenheden, bekend als qudits, zouden nieuwe manieren kunnen ontsluiten om informatie te verwerken en de wereld met extreme precisie waar te nemen. De uitdaging ligt in het vinden van materialen die deze complexe toestanden stabiel kunnen vasthouden en tegelijkertijd wetenschappers in staat stellen om informatie te lezen en te schrijven met behulp van licht, een methode die snel en nauwkeurig is.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe moleculaire bouwsteen gecreëerd die dit concept dichter bij de realiteit brengt. Ze ontwierpen een enkel, stabiel organisch molecuul dat fungeert als een lichtgevende qudit. Dit molecuul is opgebouwd uit drie identieke radicale groepen — chemische structuren met een ongepaard elektron — gerangschikt rond een centrale ring. Door deze drie delen op een specifieke manier met elkaar te verbinden, dwongen de wetenschappers de ongepaarde elektronen om hun spins op een coöperatieve manier uit te lijnen, waardoor een grondtoestand met vier verschillende energieniveaus ontstond in plaats van de gebruikelijke twee. Deze structuur is niet slechts een theoretische curiositeit; het gloeit met licht wanneer het wordt geëxciteerd, en de kleur en timing van die gloed onthullen de interne toestand van de elektronen. De onderzoekers demonstreerden dat ze een laser konden gebruiken om het molecuul in een specifieke toestand voor te bereiden, het konden aansturen met microgolven, en het resultaat konden uitlezen via de lichtemissie, waarbij optische initialisatie en uitlezing mogelijk waren bij kamertemperatuur.

Het molecuul, dat de onderzoekers een triradicaal noemen, is gebouwd door drie tritylgroepen aan een centrale fenylring te bevestigen. Tritylgroepen staan erom bekend stabiel te zijn en unieke magnetische eigenschappen te hebben, maar het combineren van drie van deze groepen in een enkele gloeiende eenheid vereiste zorgvuldig ontwerp. Het team gebruikte een chemisch proces om de drie delen te koppelen, waarbij ze ervoor zorgden dat ze precies goed op afstand werden geplaatst om met elkaar te interageren zonder elkaars stabiliteit te vernietigen. Wanneer zij het molecuul onderzochten, vonden zij dat het twee verschillende sets energietoestanden bezat: een doublettoestand met twee mogelijke configuraties en een quartettoestand met vier. Cruciaal is dat de grondtoestand-kwartet iets lager in energie ligt dan het doublet met ongeveer 1 meV, wat resulteert in een bijna gelijke populatie van doublets en quartets bij kamertemperatuur. Deze bijna gelijke mix is essentieel omdat het het systeem in staat stelt om een groter bereik aan informatietoestanden te ontsluiten dan een eenvoudig tweetoestandsysteem ooit zou kunnen bieden.

Wanneer de onderzoekers een blauwe laser op het molecuul scheen, absorbeerde het de energie en begon het te gloeien. Ze observeerden twee verschillende kleuren licht die uit het monster voortkwamen: een gloed bij 633 nanometer en een dieper rood bij 690 nanometer. Door te meten hoe lang elke kleur aanhield, ontdekten ze dat het licht van 633 nanometer uit de quartettoestand kwam en snel vervaagde, terwijl het licht van 690 nanometer uit de doublettoestand kwam en langer aanhield, waardoor het de vertraagde fotoluminescentie domineerde. Deze scheiding stelde hen in staat om tussen de twee soorten toestanden te onderscheiden door simpelweg naar de kleur en de timing van het licht te kijken. Het team ontdekte ook dat het molecuul gemanipuleerd kon worden door magnetische velden. Wanneer zij een zwak magnetisch veld van slechts 5 millitesla toepasten, veranderde de helderheid van het licht met wel 3 procent. Deze gevoeligheid suggereert dat het molecuul een zeer effectieve sensor kan zijn voor het detecteren van minuscule magnetische fluctuaties in zijn omgeving.

Om te bewijzen dat het molecuul als een kwantumapparaat kon functioneren, voerden de wetenschappers een reeks tests uit om te zien of ze de elektronenspins konden controleren. Ze gebruikten een laserflits om het molecuul in een specifieke spinconfiguratie voor te bereiden, een proces dat optische initialisatie wordt genoemd. Onmiddellijk na de flits gebruikten ze microgolfpulsen om de toestand van het molecuul te proberen. Ze ontdekten dat de spins coherent gecontroleerd konden worden, wat betekent dat de onderzoekers de kwantumtoestand met precisie konden sturen. Het molecuul hield deze informatie een verrassend lange tijd vast, waarbij de spin-rooster-relaxatietijd meer dan 150 microseconden bereikte, wat een bovengrens stelt aan hoe lang de toestand kan voortbestaan. Hoewel de experimenten met coherente controle bij lage temperaturen werden uitgevoerd om deze tijden te verlengen, wijzen de resultaten erop dat het materiaal een levensvatbare kandidaat is voor het opslaan van informatie. Bovendien toonden ze aan dat ze de verschillende delen van de quartettoestand afzonderlijk konden adresseren, een capaciteit die essentieel is voor het gebruik van het molecuul als een multi-toestandsprocessor in plaats van een eenvoudige aan/uit-schakelaar.

De onderzoekers verkenden ook hoe het molecuul zich gedraagt onder verschillende omstandigheden, zoals variërende temperaturen en magnetische velden. Ze vonden dat de energiekloof tussen de doublet- en quartettoestanden ongelooflijk klein was, slechts ongeveer 1 millielectronvolt. Dit minieme verschil betekent dat thermische energie bij kamertemperatuur voldoende is om het molecuul tussen deze toestanden te laten bewegen, wat ongebruikelijk is voor kwantumsystemen die vaak vrieskou vereisen om stabiel te blijven. Het team bevestigde dat het gedrag van het molecuul overeenkwam met hun theoretische modellen, waarmee de mogelijkheid werd uitgesloten dat onzuiverheden of onvolledige chemische reacties de waargenomen effecten veroorzaakden. Ze toonden ook aan dat het molecuul gebruikt kon worden voor optisch gedetecteerde magnetische resonantie, een techniek waarbij microgolven worden gebruikt om de magnetische toestand van het molecuul te veranderen, wat vervolgens wordt gedetecteerd door een verandering in het uitgezonden licht. Deze methode werkte effectief bij kamertemperatuur, een aanzienlijk voordeel ten opzichte van veel andere kwantummaterialen die nabij het absolute nulpunt moeten worden gehouden.

Dit werk vormt een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van organische kwantummaterialen. Door een molecuul te creëren dat stabiliteit, lichtemissie en multi-toestandcontrole combineert, hebben de onderzoekers een nieuw instrument geleverd voor kwantumsensoren en kwantumcomputing. Het vermogen om informatie te lezen en te schrijven met behulp van licht, gecombineerd met de robuustheid van het molecuul bij kamertemperatuur, opent mogelijkheden voor de integratie van kwantumtechnologie in alledaagse apparaten. Hoewel het molecuul momenteel een laboratoriumprototype is, bieden de ontwerpprincipes een duidelijke weg voor toekomstige verbeteringen. De onderzoekers suggereren dat door de symmetrie van het molecuul aan te passen, ze de energieniveaus verder kunnen scheiden, waardoor het nog gemakkelijker wordt om individuele toestanden te controleren. Dit molecuul is niet alleen een nieuwe chemische verbinding; het is een demonstratie dat complexe kwantumgedragingen kunnen worden ingebouwde in eenvoudige, organische structuren, waardoor de droom van moleculaire kwantumapparaten een stap dichter bij de realiteit wordt gebracht.