A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

Na busca por construir máquinas que possam resolver problemas muito além do alcance dos computadores de hoje, os cientistas estão se voltando para as menores unidades possíveis de informação. Por décadas, o foco tem sido no qubit, uma pequena chave que pode existir em dois estados ao mesmo tempo, de forma muito semelhante a uma moeda girando sobre uma mesa que é tanto cara quanto coroa até pousar. No entanto, a natureza oferece uma paleta mais rica do que apenas duas opções. Assim como uma escala musical tem mais do que duas notas, sistemas quânticos podem ser projetados para conter múltiplos estados simultaneamente. Essas unidades de múltiplos estados, conhecidas como qudits, poderiam desbloquear novas formas de processar informações e sentir o mundo com extrema precisão. O desafio reside em encontrar materiais que possam manter esses estados complexos de forma estável, permitindo também que os cientistas leiam e escrevam informações usando luz, um método que é rápido e preciso.

Uma equipe de pesquisadores criou agora um novo bloco de construção molecular que traz esse conceito mais próximo da realidade. Eles projetaram uma única molécula orgânica estável que atua como um qudit emissor de luz. Esta molécula é construída a partir de três grupos radicais idênticos — estruturas químicas com um elétron desemparelhado — dispostos em torno de um anel central. Ao conectar essas três partes de uma maneira específica, os cientistas forçaram os elétrons desemparelhados a alinhar seus spins de maneira cooperativa, criando um estado fundamental com quatro níveis de energia distintos em vez dos dois usuais. Esta estrutura não é apenas uma curiosidade teórica; ela brilha com luz quando excitada, e a cor e o tempo desse brilho revelam o estado interno dos elétrons. Os pesquisadores demonstraram que poderiam usar um laser para preparar a molécula em um estado específico, controlá-la com micro-ondas e ler o resultado através de sua emissão de luz, com inicialização e leitura óptica possíveis à temperatura ambiente.

A molécula, que os pesquisadores chamam de trirradical, é construída anexando três grupos trityl a um anel fenila central. Os grupos trityl são conhecidos por serem estáveis e possuírem propriedades magnéticas únicas, mas combinar três deles em uma única unidade brilhante exigiu um design cuidadoso. A equipe usou um processo químico para ligar as três partes, garantindo que fossem espaçadas de forma adequada para interagir sem destruir a estabilidade umas das outras. Quando examinaram a molécula, descobriram que ela possuía dois conjuntos distintos de estados de energia: um estado de dublete com duas configurações possíveis e um estado de quarteto com quatro. Crucialmente, o quarteto do estado fundamental situa-se ligeiramente abaixo do dublete em cerca de 1 meV, resultando em uma população quase igual de dubletes e quartetos à temperatura ambiente. Essa mistura quase igual é vital porque permite que o sistema acesse uma gama maior de estados de informação do que um sistema simples de dois estados jamais poderia fornecer.

Quando os pesquisadores incidiram um laser azul sobre a molécula, ela absorveu a energia e começou a brilhar. Eles observaram duas cores distintas de luz emergindo da amostra: um brilho em 633 nanômetros e um vermelho mais profundo em 690 nanômetros. Ao medir quanto tempo cada cor durava, descobriram que a luz de 633 nanômetros vinha do estado de quarteto e desaparecia rapidamente, enquanto a luz de 690 nanômetros vinha do estado de dublete e perdurava mais, dominando a fotoluminescência retardada. Essa separação permitiu que eles distinguissem entre os dois tipos de estados simplesmente observando a cor e o tempo da luz. A equipe também descobriu que a molécula poderia ser manipulada por campos magnéticos. Quando aplicaram um campo magnético fraco de apenas 5 militesla, o brilho da luz mudou em até 3 por cento. Essa sensibilidade sugere que a molécula poderia atuar como um sensor altamente eficaz para detectar flutuações magnéticas minúsculas em seu ambiente.

Para provar que a molécula poderia funcionar como um dispositivo quântico, os cientistas realizaram uma série de testes para ver se conseguiam controlar os spins dos elétrons. Eles usaram um flash de laser para preparar a molécula em uma configuração de spin específica, um processo conhecido como inicialização óptica. Imediatamente após o flash, usaram pulsos de micro-ondas para sondar o estado da molécula. Descobriram que os spins podiam ser controlados coerentemente, o que significa que os pesquisadores podiam direcionar o estado quântico com precisão. A molécula manteve essa informação por um tempo surpreendentemente longo, com o tempo de relaxação spin-rede atingindo mais de 150 microssegundos, estabelecendo um limite superior para quanto tempo o estado poderia persistir. Embora os experimentos de controle coerente tenham sido realizados em baixas temperaturas para estender esses tempos, os resultados indicam que o material é um candidato viável para armazenar informações. Além disso, demonstraram que poderiam endereçar as diferentes partes do estado de quarteto separadamente, uma capacidade essencial para usar a molécula como um processador de múltiplos estados em vez de um simples interruptor de liga-desliga.

Os pesquisadores também exploraram como a molécula se comporta sob diferentes condições, como variações de temperatura e campos magnéticos. Descobriram que o intervalo de energia entre os estados de dublete e quarteto era incrivelmente pequeno, apenas cerca de 1 milieletronvolt. Essa diferença minúscula significa que a energia térmica à temperatura ambiente é suficiente para manter a molécula se movendo entre esses estados, o que é incomum para sistemas quânticos que geralmente exigem temperaturas de congelamento para permanecerem estáveis. A equipe confirmou que o comportamento da molécula correspondia aos seus modelos teóricos, descartando a possibilidade de impurezas ou reações químicas incompletas estarem causando os efeitos observados. Eles também mostraram que a molécula poderia ser usada para ressonância magnética detectada opticamente, uma técnica onde micro-ondas são usadas para alterar o estado magnético da molécula, que é então detectado por uma mudança na luz que ela emite. Este método funcionou efetivamente à temperatura ambiente, uma vantagem significativa sobre muitos outros materiais quânticos que devem ser mantidos próximos ao zero absoluto.

Este trabalho representa um passo significativo à frente no desenvolvimento de materiais quânticos orgânicos. Ao criar uma molécula que combina estabilidade, emissão de luz e controle de múltiplos estados, os pesquisadores forneceram uma nova ferramenta para detecção e computação quântica. A capacidade de ler e escrever informações usando luz, combinada com a robustez da molécula à temperatura ambiente, abre possibilidades para integrar a tecnologia quântica em dispositivos cotidianos. Embora a molécula seja atualmente um protótipo de laboratório, seus princípios de design oferecem um caminho claro para melhorias futuras. Os pesquisadores sugerem que, ao ajustar a simetria da molécula, poderiam separar ainda mais os níveis de energia, tornando mais fácil o controle de estados individuais. Esta molécula não é apenas um novo composto químico; é uma demonstração de que o comportamento quântico complexo pode ser projetado em estruturas orgânicas simples, aproximando o sonho de dispositivos quânticos em escala molecular da realidade.