在室温下打开和关闭量子材料中的自旋
研究人员找到了一种控制有机半导体中光和量子“自旋”相互作用的方法，即使在室温下也能发挥作用。
自旋是电子固有角动量的术语，称为向上或向下。使用电子的上/下自旋状态代替传统计算机逻辑中的 0 和 1 可以改变计算机处理信息的方式。基于量子原理的传感器可以极大地提高我们测量和研究周围世界的能力。
由剑桥大学领导的一个国际研究小组找到了一种使用光粒子作为“开关”的方法，可以连接和控制电子的自旋，使它们像微型磁铁一样可用于量子应用。
研究人员设计了通过微小“桥梁”连接的模块化分子单元。在这些桥上照射光可以使结构两端的电子通过对齐自旋态来相互连接。即使在桥被移除后，电子仍然通过其对齐的自旋保持连接。
这种对量子特性的控制水平通常只能在超低温下才能实现。然而，剑桥领导的团队已经能够在室温下控制这些材料的量子行为，这通过可靠地将自旋耦合到光子，开辟了潜在量子应用的新世界。研究结果发表在《自然》杂志上。
几乎所有类型的量子技术——基于亚原子水平上粒子的奇怪行为——都涉及自旋。当电子移动时，它们通常会形成稳定的电子对，一个电子向上自旋，一个电子向下自旋。然而，可以制造带有不成对电子的分子，称为自由基。大多数自由基都非常活跃，但通过仔细设计分子，它们可以变得化学稳定。
“这些不成对的自旋改变了光子被吸收和电子移动到更高能级时发生的规则，”来自剑桥卡文迪什实验室的第一作者塞巴斯蒂安·戈尔贡说。“我们一直在研究具有单次净旋转的系统，这使得它们有利于发光和制造 LED。”
Gorgon 是理查德·弗兰德爵士教授研究小组的成员，他们一直在研究有机半导体中用于发光的自由基，并在几年前发现了一系列稳定而明亮的材料。这些材料在产生红光方面可以击败最好的传统 OLED。
“使用不同领域开发的技巧很重要，”这项研究的共同领导者、斯旺西大学的埃姆里斯·埃文斯博士说。“该团队在物理和化学的多个领域拥有丰富的专业知识，例如电子的自旋特性以及如何使有机半导体在 LED 中工作。这对于了解如何制备和研究这些固态分子至关重要，从而使我们能够在室温下演示量子效应。”
有机半导体是目前照明和商业显示器领域最先进的技术，它们可能是太阳能电池中硅的更可持续的替代品。然而，它们尚未针对量子应用(例如量子计算或量子传感)进行广泛研究。
“我们现在已经迈出了下一步，将有机半导体中自由基的光学和磁性特性联系起来，”戈尔贡说。“这些新材料为全新的应用带来了巨大的希望，因为我们已经能够消除对超低温的需求。”
“了解电子自旋的作用并不简单，更不用说控制它们了，尤其是在室温下，”该研究的共同领导者弗兰德说。“但是如果我们能够控制自旋，我们就可以构建一些有趣且有用的量子物体。”
研究人员首先确定电子自旋的行为方式，从而设计了一系列新材料。使用这种自下而上的方法，他们能够通过使用构建块方法并改变分子不同模块之间的“桥梁”来控制最终材料的特性。这些桥梁是由蒽(一种碳氢化合物)制成的。
对于他们的“混合搭配”分子，研究人员将明亮的发光自由基附加到蒽分子上。光子被自由基吸收后，激发会扩散到邻近的蒽上，导致三个电子开始以相同的方式旋转。当另一个自由基连接到蒽分子的另一侧时，它的电子也会耦合，使四个电子沿同一方向旋转。
“在这个例子中，我们可以通过调整吸收光子的桥上的电子自旋来开启分子两端两个电子之间的相互作用，”戈尔贡说。“放松下来后，即使桥消失了，远处的电子也会记得它们是在一起的。
“在我们设计的这些材料中，吸收光子就像打开开关一样。事实上，我们可以通过在室温下可靠地耦合自旋来开始控制这些量子物体，这可以为量子技术领域带来更大的灵活性。这里有巨大的潜力，可以朝许多新方向发展。”
“人们花了数年时间试图让自旋能够可靠地相互对话，但通过从我们希望自旋做什么开始，然后化学家可以围绕它设计一个分子，我们已经能够让自旋对齐”朋友说。“这就像我们已经到达了金发姑娘区，我们可以在其中调整扩展分子构建块之间的自旋耦合。”
这一进展是通过大规模的国际合作实现的——材料在中国制造，实验在剑桥、牛津和德国完成，理论工作在比利时和西班牙完成。
该研究得到了欧洲研究委员会、欧盟、工程和物理科学研究委员会 (EPSRC)、英国研究与创新部 (UKRI) 和英国皇家学会的部分支持。理查德·弗兰德 (Richard Friend) 是剑桥大学圣约翰学院的院士。
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