Metalli-metalli-sidosmolekyyli avaa uuden tien kvanttilaskentamateriaaleille

Kumamoton yliopiston tutkijat ovat yhteistyössä eteläkorealaisten ja taiwanilaisten kollegoidensa kanssa havainneet, että ainutlaatuinen kobolttipohjainen molekyyli, jossa on metalli-metalli-sidoksia, voi toimia spinkvanttibittinä (spin-kubittina) eli perusyksikkönä tulevaisuuden kvanttitietokoneille.

Löydökset tarjoavat uuden suunnittelustrategian kvantti-informaatioteknologioissa käytettäville molekyylimateriaaleille.

Erilaisten lähestymistapojen joukossa spin-kubitit, jotka käyttävät elektronin spiniä, ovat erityisen houkuttelevia, koska niitä voidaan ohjata tarkasti magneettiresonanssitekniikoilla. Vakaiden ja pitkäikäisten spin-kubittien luominen molekyylitasolla on kuitenkin edelleen suuri haaste.

Tutkimusryhmä keskittyi jäykkään molekyyliin, joka koostuu kolmesta suorassa linjassa olevasta koboltti-ionista, jotka ovat suoraan yhteydessä toisiinsa metalli-metalli-sidoksilla. Tämä yhdiste, joka tunnetaan nimellä Co₃(dpa)₄Cl₂, on myös "spin-crossover"-materiaali, mikä tarkoittaa, että sen spin-tila voi muuttua ulkoisten olosuhteiden, kuten lämpötilan, vaikutuksesta.

Tähän asti ei ole kokeellisesti vahvistettu, voisiko tällainen molekyyli toimia spin-kubittina.

Käyttämällä edistyneitä magneettisia mittauksia ja pulssitettua elektroniparagneettista resonanssispektroskopiaa (EPR) tutkijat tarkastelivat, kuinka kauan molekyylin elektronispinit voivat säilyttää kvanttitilansa.

He havaitsivat, että molekyylillä on hidas magneettinen relaksaatio, ja spinien eliniät ovat riittävän pitkiä täyttämään kvantti-informaation käsittelyn keskeiset vaatimukset. Tärkeää on, että elektronispin ei ole rajoittunut yhteen metalliatomiin, vaan se on delokalisoitunut kaikkien kolmen koboltti-ionin yli, mikä auttaa vakauttamaan kvanttitilaa.

Tutkimusryhmä havaitsi myös selkeitä Rabi-värähtelyjä, jotka ovat kontrolloidun kvanttikäyttäytymisen tunnusmerkkejä ja osoittavat, että spin-tiloja voidaan manipuloida koherenttisti.

Nämä tulokset osoittavat ensimmäistä kertaa, että metalli-metalli-sidoksia sisältävä molekyyli voi toimia toiminnallisena spin-kubittina. ”Tämä työ avaa uuden polun molekyylikubittien suunnitteluun”, sanoo tutkimusta johtanut professori Shinya Hayami Kumamoton yliopiston edistyneen luonnontieteiden ja teknologian tiedekunnasta

Tutkijat odottavat havaintojensa kiihdyttävän molekyylipohjaisten kvanttimateriaalien kehitystä ja mahdollistavan sovelluksia kvanttilaskennassa, kvanttimuisteissa ja spin-pohjaisessa elektroniikassa.

Tutkimus: Slow magnetic relaxation in a trinuclear spin-crossover Co(II) compound with metal–metal bonding.

Aiheesta aiemmin:

Molekyylikubitit voivat kommunikoida teletaajuuksilla

Fyysikot kvanttilomittavat yksittäisiä molekyylejä

Uusi alusta räätälöitäville kvanttilaitteille