Essorage réversible

Nature volume 620, pages 538-544 (2023)Citer cet article

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Les molécules présentent une plate-forme polyvalente pour la science de l’information quantique1,2 et sont candidates aux applications de détection et de calcul3,4. Des interfaces optiques de spin robustes sont essentielles pour exploiter les ressources quantiques des matériaux5. À ce jour, les candidats à base de carbone étaient non luminescents6,7, ce qui empêche la lecture optique par émission. Nous rapportons ici des molécules organiques montrant à la fois une luminescence efficace et un rendement de génération proche de l'unité d'états excités avec une multiplicité de spin S > 1. Ceci a été réalisé en concevant une résonance énergétique entre les niveaux de doublet et de triplet émissifs, ici sur du tris (2,4, 4) couplé de manière covalente. 6-trichlorophényl) radicaux méthyl-carbazole et anthracène. Nous avons observé que la photoexcitation du doublet se délocalisait sur l'acène lié en quelques picosecondes et évoluait ensuite vers un état pur à haut spin (quartet pour monoradical, quintette pour biradical) de caractère mixte radical-triplet proche de 1, 8 eV. Ces états à spin élevé sont adressables de manière cohérente avec les micro-ondes même à 295 K, avec une lecture optique rendue possible par un croisement intersystème inverse vers des états émissifs. De plus, pour le biradical, au retour à l'état fondamental, les spins des radicaux précédemment non corrélés de part et d'autre de l'anthracène présentent une forte corrélation de spin. Notre approche prend simultanément en charge une grande efficacité d’initialisation, de manipulations de spin et de lecture basée sur la lumière à température ambiante. L'intégration de la luminescence et des états à spin élevé crée une plate-forme de matériaux organiques pour les technologies quantiques émergentes.

Des progrès considérables ont été réalisés dans la conception de systèmes moléculaires répondant aux critères DiVincenzo pour les qubits pratiques8. L'adressabilité optique a été démontrée dans des complexes organométalliques avec des états fondamentaux triplet à des températures d'hélium liquide9. Les complexes associés présentent des temps de cohérence de spin impressionnants, atteignant la plage des microsecondes à température ambiante10. Les structures sans atomes métalliques peuvent être plus immunisées contre la décohérence11, et de telles molécules entièrement organiques ont été utilisées dans plusieurs démonstrations d'effets quantiques12,13,14.

Les molécules organiques radicalaires contiennent des électrons non appariés qui peuvent être stabilisés par conception chimique. Des progrès ont été réalisés en utilisant des radicaux non luminescents liés de manière covalente aux chromophores, et de telles structures peuvent prendre en charge des états excités avec une multiplicité de spin élevée6,7. La présence d'un radical peut augmenter le taux de croisement intersystème (ISC), conduisant à l'accumulation d'états triplets chromophores15. Si l'échange entre le spin du triplet (S = 1) et le spin radical (S = 1/2) est plus grand que toutes les autres interactions magnétiques, un quatuor distinct (« trip-quartet », S = 3/2) et un doublet (« trip- doublet', S = 1/2) forme une paire d'états16. Si un deuxième radical est couplé en plus, un état quintette (« trip-quintet », S = 2) peut être atteint17. Les états à spin élevé permettent la construction d’architectures denses avec plusieurs qubits hébergés dans une seule variété de sous-niveaux de spin18. De tels qubits multiniveaux, appelés qudits, offrent des avantages en termes d’évolutivité dans le calcul quantique19. Le comportement qudit des états quatuor a été récemment démontré dans PDI-TEMPO à 80 K (réf. 20). Cependant, les structures actuelles à spin élevé présentent de grands écarts d'énergie (environ 1 eV) entre l'état singulet du chromophore photogénéré et la variété triplet . Surtout, cela empêche l’ISC inverse (RISC) de passer à un état luminescent. Ainsi, tous les systèmes organiques à spin élevé avec S > 1 à ce jour sont non émissifs, ce qui rend la lecture optique impossible.

Alors que la plupart des radicaux stables ne sont pas émissifs, il existe désormais une classe de radicaux luminescents qui offrent une émission entièrement autorisée par le spin au sein de la variété doublet22. L’ensemble des structures moléculaires disponibles et leur gamme de longueurs d’onde optiques s’étendent23,24. Des efficacités records pour les diodes électroluminescentes rouge foncé et infrarouge ont récemment été atteintes dans les radicaux tris (2,4,6-trichlorophényl) méthyle (TTM) liés aux donneurs d'électrons carbazole25.