[논문 리뷰] Reversible spin-optical interface in luminescent organic radicals

Sebastian Gorgon, Kuo Lv외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 24.

Photochemistry and Electron Transfer Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 공명 유기 라디칼에서 최초로 역가능한 스핀-광학 인터페이스를 구현하기 위해 공유 결합된 TTM-1Cz–아나프렌 시스템을 설계함으로써, 고스핀 상태(쿼드레트 및 퀠티트)의 효율적 실온 초기화, 마이크로파 제어 및 광학적 독출이 가능한 스핀 선택적 간섭 상태를 통해 실현되었다. 이 시스템은 실온에서 거의 1에 가까운 스핀 다중성 생성과 함께 빛나는 독출을 동반한 공명 스핀 조작을 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유량 기술 분야를 위한 내구성 있고 실온에서 작동하는 유기 물질 기반 스핀-광학 인터페이스를 개발하기 위해.
• 비발광성 탄소 기반 스핀 시스템의 한계를 극복하기 위해 효율적인 발광성과 고스핀 상태 생성을 통합하기 위해.
• 간섭 상태를 통해 발광 상태로의 간섭 상태를 통해 고스핀 상태를 광학적으로 감지하기 위해.
• 실온에서 유기 라디칼의 스핀 상태에 대해 마이크로파를 이용한 공명 조작을 실현하기 위해.
• 기본 상태에서 붕괴된 이라디칼 시스템에서 강한 스핀 상관관계를 입증하기 위해.

제안 방법

• 발광 이중자 상태와 삼중자 상태 사이의 에너지 공진을 가능하게 하기 위해 트리스(2,4,6-트리클로로페닐)메틸-카바졸 라디칼(TTM-1Cz)과 아나프렌 사이의 공유 결합을 설계하였다.
• 초고속 분광법을 활용하여 광자극 동역학을 추적하였으며, 이중자 상태의 자극이 아세인 단위로 피코초 이내에 국소화됨을 관측하였다.
• 스핀-오비탈 결합을 활용하여 고스핀 상태(쿼드레트, 퀸티트)에서 발광 삼중자 상태로의 간섭 상태를 가능하게 하여 광학적 독출을 실현하였다.
• 295 K에서 마이크로파 펄스를 사용하여 고스핀 상태를 공명적으로 조작하였으며, 실온에서의 공명성과 일관성을 확인하였다.
• 붕괴 후 이라디칼 시스템의 기본 상태에서 스핀 상관관계를 측정하여 얽힘 유사 행동을 나타내었다.
• DFT 및 스핀 해밀토니안 분석 등의 이론적 모델링을 통합하여 관측된 스핀 동역학과 에너지 준위 정렬을 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 발광성이며 고스핀 자극 상태를 생성할 수 있는 유기 라디칼에서 역가능한 스핀-광학 인터페이스를 실현할 수 있는가?
• RQ2 공유 결합된 유기 시스템에서 이중자 상태에서 고스핀 상태로의 스핀 상태 국소화 및 진화의 시간 상한과 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이 물질에서 실온에서 마이크로파를 이용한 고스핀 상태의 공명 조작은 어느 정도 가능할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템에서 고스핀 상태의 광학적 독출은 간섭 상태를 통해 발광 상태로의 전이로 얼마나 효율적으로 이루어지는가?
• RQ5 이라디칼 시스템의 라디칼 스핀은 기본 상태로 돌아올 때 측정 가능한 스핀 상관관계를 보이는가?

주요 결과

• 발광 이중자 상태와 삼중자 상태 사이의 에너지 공진 덕분에 고스핀 자극 상태(단일 라디칼의 경우 쿼드레트, 이라디칼의 경우 퀸티트)의 거의 1에 가까운 생성 수율을 달성하였다.
• 이중자 광자극이 몇 페타초 내에 아나프렌 단위로 국소화되어 약 1.8 eV에서 순수한 고스핀 상태로 진화한다.
• 고스핀 상태는 295 K에서 마이크로파로 공명적으로 조작 가능하여 실온에서의 스핀 제어를 입증하였다.
• 고스핀 상태에서 발광 삼중자 상태로의 간섭 상태를 통해 광학적 독출이 가능하며, 이 시스템에서 발광이 관측되었다.
• 이라디칼 시스템에서 기본 상태에서의 붕괴는 두 라디칼 중심 사이의 강한 스핀 상관관계를 나타내며, 얽힘 특성을 보여준다.
• 이 시스템은 실온에서 동시에 효율적 초기화, 공명 조작, 광학적 독출의 세 가지 핵심 기능을 지원한다.