Spinin kytkentää kvanttimateriaalissa huonelämpötilassa

Tutkijat ovat löytäneet tavan hallita valon ja kvanttispinin vuorovaikutusta orgaanisissa puolijohteissa jopa huoneenlämmössä.

Cambridgen yliopiston johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on löytänyt tavan käyttää valohiukkasia "kytkimenä", joka voi yhdistää ja ohjata elektronien spiniä, jolloin ne käyttäytyvät kuin pienet magneetit, joita voitaisiin käyttää kvanttisovelluksissa.

Tutkijat suunnittelivat modulaarisia molekyyliyksiköitä, jotka on yhdistetty pienillä "silloilla". Valon loistaminen silloille mahdollisti rakenteen vastakkaisissa päissä olevien elektronien kytkemisen toisiinsa kohdistamalla niiden spintilat. Jopa sillan poistamisen jälkeen elektronit pysyivät kytkettyinä kohdistettujen spinien kautta.

Tämä kvanttiominaisuuksien hallinnan taso voidaan yleensä saavuttaa vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Cambridgen johtama tiimi on kuitenkin pystynyt hallitsemaan näiden materiaalien kvanttikäyttäytymistä huoneenlämmössä, mikä avaa uuden maailman mahdollisille kvanttisovelluksille kytkemällä spinit luotettavasti fotoniin.

Orgaaniset puolijohteet ovat valaistuksen ja kaupallisten näyttöjen nykytekniikkaa ja ne voisivat olla kestävämpi vaihtoehto piille aurinkokennoissa. Niitä ei kuitenkaan ole vielä tutkittu laajasti kvanttisovelluksiin, kuten kvanttilaskentaan tai kvanttianturiin.

Tutkijat suunnittelivat uuden materiaaliperheen määrittämällä ensin, kuinka he halusivat elektronien spinien käyttäytyvän. Tätä alhaalta ylös -lähestymistapaa käyttämällä he pystyivät hallitsemaan loppumateriaalin ominaisuuksia käyttämällä rakennuspalikkamenetelmää ja muuttamalla "siltoja" molekyylin eri moduulien välillä. Nämä sillat tehtiin antraseenista, eräänlaisesta hiilivedystä.

Tutkijoiden kehittelemissä materiaaleissa fotonin absorboiminen on kuin kytkimen kytkeminen päälle. Näin he voivat ryhtyä hallitsemaan kehitettyjä kvanttiobjekteja kytkemällä spinejä luotettavasti huoneenlämpötilassa, mikä voisi avata paljon enemmän joustavuutta kvanttiteknologioiden maailmassa.

"Ihmiset ovat käyttäneet vuosia yrittäessään saada spinit puhumaan luotettavasti toistensa kanssa, mutta aloittamalla sen sijaan sillä mitä haluamme spinien tekevän ja kun kemistit voivat sitten suunnitella molekyylin sen ympärille, olemme saaneet spinit kohdakkain", kommentoi Richard Friend. "Ikään kuin olisimme osuneet Goldilocks-vyöhykkeelle, jossa voimme virittää spin-kytkennän laajempien molekyylisten rakenneosien välillä."

Eteneminen mahdollistettiin laajalla kansainvälisellä yhteistyöllä – materiaalit valmistettiin Kiinassa, kokeita tehtiin Cambridgessä, Oxfordissa ja Saksassa sekä teoriatyö Belgiassa ja Espanjassa.

Aiheesta aiemmin:

Kaksi spiniä tuottaa kvanttiväylän

Laskentaa molekyyleillä