[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究通过设计共价连接的TTM-1Cz–并四苯体系，在发光有机自由基中首次实现了可逆的自旋-光学接口，实现了室温下高效初始化、微波控制以及高自旋态（四重态和五重态）的光学读出，通过自旋选择性系间窜越实现。该体系在295 K下实现了近乎100%的自旋多重度生成与相干自旋操控，并具备发光读出能力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在有机材料中具有鲁棒性、可在室温下工作的自旋-光学接口，以服务于量子技术。
• 通过将高效发光与高自旋态生成相结合，克服碳基自旋系统非发光的局限性。
• 通过系间窜越至发光态，实现对高自旋态的光学检测。
• 在常温下实现对有机自由基中自旋态的相干微波操控。
• 在基态弛豫后，展示双自由基体系中强自旋关联。

提出的方法

• 通过共价键连接三(2,4,6-三氯苯基)甲基-碳氮杂苯自由基（TTM-1Cz）与并四苯，实现发光双态与三重态之间的能量共振。
• 利用超快光谱技术追踪光激发动力学，观察到双激发态在亚皮秒时间内离域至芳烃单元。
• 利用自旋-轨道耦合，实现从高自旋态（四重态、五重态）到发光三重态的系间窜越，从而实现光学读出。
• 采用微波脉冲在295 K下相干操控高自旋态，证实了室温下的相干性。
• 在双自由基体系基态弛豫后测量自旋关联，表明存在类似纠缠的行为。
• 结合理论模拟（如DFT和自旋哈密顿量分析）以解释观测到的自旋动力学与能级排列。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在兼具发光性与高自旋激发态生成能力的有机自由基中实现可逆的自旋-光学接口？
• RQ2 在共价连接的有机体系中，自旋态从双态向高自旋态的离域与演化过程的时间尺度与机制是什么？
• RQ3 在这些材料中，高自旋态在室温下通过微波实现相干操控的程度如何？
• RQ4 通过系间窜越至发光态，该体系中高自旋态的光学读出效率如何？
• RQ5 双自由基体系中的自由基自旋在返回基态后是否表现出可测量的自旋关联？

主要发现

• 通过发光双态与三重态能级之间的能量共振，该体系实现了高自旋激发态（单自由基为四重态，双自由基为五重态）近乎100%的生成量子产率。
• 双态光激发在数皮秒内离域至并四苯单元，并在约1.8 eV处演化为纯高自旋态。
• 高自旋态可在295 K下通过微波实现相干操控，证明了室温下的自旋控制能力。
• 光学读出通过高自旋态到发光三重态的系间窜越实现，体系中观察到发光现象。
• 在双自由基体系中，基态弛豫后两个自由基中心之间表现出强烈的自旋关联，表明具有纠缠特性。
• 该体系在室温下同时支持三大核心功能——高效初始化、相干操控与光学读出。