[論文レビュー] Reversible spin-optical interface in luminescent organic radicals

Sebastian Gorgon, Kuo Lv+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2023

Photochemistry and Electron Transfer Studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、キアラル結合したTTM-1Cz–アントラセン系を設計することで、発光性有機ラジカルにおいて、初めての可逆的スピン-光インターフェースを実現した。これにより、スピン選択的系間クロスオーバーを介して、室温で効率的なスピン状態の初期化、マイクロ波による制御、発光的読み出しを可能とした。高スピン状態（四重項および五重項）のための近似100％のスピン多重度生成と、295 Kでコherentなスピン操作が達成され、発光的読み出しを併せ持つ。

ABSTRACT

Molecules present a versatile platform for quantum information science, and are candidates for sensing and computation applications. Robust spin-optical interfaces are key to harnessing the quantum resources of materials. To date, carbon-based candidates have been non-luminescent, which prevents optical read-out. Here we report the first organic molecules displaying both efficient luminescence and near-unity generation yield of high-spin multiplicity excited states. This is achieved by designing an energy resonance between emissive doublet and triplet levels, here on covalently coupled tris(2,4,6-trichlorophenyl) methyl-carbazole radicals (TTM-1Cz) and anthracene. We observe the doublet photoexcitation delocalise onto the linked acene within a few picoseconds and subsequently evolve to a pure high spin state (quartet for monoradicals, quintet for biradical) of mixed radical-triplet character near 1.8 eV. These high-spin states are coherently addressable with microwaves even at 295 K, with optical read-out enabled by intersystem crossing to emissive states. Furthermore, for the biradical, on return to the ground state the previously uncorrelated radical spins either side of the anthracene show strong spin correlation. Our approach simultaneously supports a high efficiency of initialisation, spin manipulations and light-based read-out at room temperature. The integration of luminescence and high-spin states creates an organic materials platform for emerging quantum technologies.

研究の動機と目的

• 量子技術分野向けに、強固で室温で動作する有機材料におけるスピン-光インターフェースの開発。
• 非発光性の炭素ベーススピン系の制限を克服し、効率的な発光と高スピン状態生成を統合。
• 系間クロスオーバーを介して発光状態へ遷移することで、高スピン状態の光学的検出を可能にすること。
• 室温で有機ラジカルにおけるスピン状態をマイクロ波でコherentに制御すること。
• 基底状態への緩下後に、ビラジカル系において強いスピン相関が観測されることを示すこと。

提案手法

• 発光する二重項状態と三重項状態の間のエネルギー共鳴を実現するため、トリス(2,4,6-トリクロロフェニルメチル)-カルバゾールラジカル（TTM-1Cz）とアントラセンの共valent結合を設計。
• 超高速分光法を用いて光励起ダイナミクスを追跡し、二重項励起状態がアセーン骨格に数ピコ秒以内に拡散することを観察。
• スピン軌道結合を活用して、高スピン状態（四重項、五重項）から発光性三重項状態への系間クロスオーバーを可能にし、光学的読み出しを実現。
• マイクロ波パルスを用いて295 Kで高スピン状態をコherentに操作し、室温でのスピンコherenceを確認。
• 緩下後のビラジカル系の基底状態におけるスピン相関を測定し、もつれに類似した振る舞いを示すことを示した。
• 理論的モデリング（例：DFTおよびスピンハミルトニアン解析）を組み合わせ、観測されたスピンダイナミクスおよびエネルギー準位の配置を解釈。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発光性であり、かつ高スピン励起状態を生成可能な有機ラジカルにおいて、可逆的スピン-光インターフェースを実現できるか？
• RQ2 共有結合した有機系において、二重項から高スピン状態へのスピン状態の拡散および進化の時間スケールとメカニズムは何か？
• RQ3 これらの材料において、室温でマイクロ波を用いて高スピン状態をどの程度コherentに制御できるか？
• RQ4 本系において、発光状態への系間クロスオーバーを介した高スピン状態の光学的読み出し効率はどの程度か？
• RQ5 ビラジカル系のラジカルスピンは、基底状態に戻った際に測定可能なスピン相関を示すか？

主な発見

• 発光二重項状態と三重項状態のエネルギー共鳴により、高スピン励起状態（モノラジカルでは四重項、ビラジカルでは五重項）の生成収率がほぼ100％に達した。
• 二重項励起状態が数ピコ秒以内にアントラセン骨格へ拡散し、約1.8 eVで純粋な高スピン状態に進化した。
• 295 Kでマイクロ波を用いて高スピン状態をコherentに操作でき、室温でのスピン制御を実証した。
• 高スピン状態から発光性三重項状態への系間クロスオーバーにより光学的読み出しが可能となり、系で発光が観測された。
• ビラジカル系では、基底状態への緩下後に2つのラジカル中心間で強いスピン相関が観測され、もつれの性質を示した。
• 本系は、室温で効率的な初期化、コherentな操作、光学的読み出しの3つの主要機能を同時に実現した。