Спин-оптический интерфейс при комнатной температуре в пентацене: ????-терфенил.
Кредит: Physical Review Letters (2024).

Прорыв в исследованиях квантовых технологий может помочь создать новое поколение точных квантовых датчиков, способных работать при комнатной температуре.

Исследование, проведенное международной группой ученых из Университета Глазго, Имперского колледжа Лондона и Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, показывает, как можно контролировать и точно определять квантовые состояния молекул в условиях окружающей среды.

Полученные результаты могут помочь открыть новый класс квантовых датчиков, которые можно будет использовать для исследования биологических систем, новых материалов или электронных устройств путем измерения магнитных полей с высокой чувствительностью и пространственным разрешением.

Будущие устройства, созданные на основе исследований этой группы, смогут измерять магнитные поля вплоть до нанометровых масштабов удобным для развертывания способом, используя молекулы в качестве квантовых датчиков.

В статье под названием «Оптически обнаруживаемое когерентное управление молекулярными спинами при комнатной температуре», опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи показывают, как они могут манипулировать определенным квантовым свойством, известным как «спин» в органических молекулах, и измерять его с помощью видимого света, и все это при комнатной температуре.

Команда использовала лазеры для выравнивания спинов электронов в молекулах, которые можно рассматривать как крошечные квантово-механические магниты. Используя тщательно направленные импульсы микроволнового излучения, они могли управлять этими спиновыми состояниями в желаемые квантовые состояния. Затем они могли измерять состояние спинов, используя количество видимого света, испускаемого молекулами от второго лазерного импульса, который меняется в зависимости от квантового состояния спинов.

В своей демонстрации доказательства принципа действия команда использовала органическую молекулу под названием пентацен, включенную в две формы материала под названием пара-терфенил, как в кристаллах, так и в тонкой пленке, что может открыть новые возможности применения в будущих устройствах.

Группа ученых продемонстрировала, что они могут оптически обнаруживать квантовую когерентность (временную шкалу, в которой существуют квантовые состояния) молекул в течение микросекунды при комнатной температуре, что намного дольше времени, необходимого для манипулирования состояниями.

Чем дольше сохраняются квантовые состояния, тем больше информации смогут собирать будущие датчики об их взаимодействии со свойствами, которые они измеряют.

Доктор Сэм Бейлисс из Школы инженерии имени Джеймса Уотта при Университете Глазго, чья группа руководила измерениями, сказал: «Квантовое зондирование предлагает захватывающую возможность исследовать окружающий мир новыми способами и обещает измерять такие величины, как магнитные и электрические поля или температуру способами, которые не под силу классическим системам».

«Показав, что мы можем оптически обнаруживать квантовую когерентность в молекулах при комнатной температуре, эта работа представляет собой доказательство принципа, что ключевые свойства, необходимые для квантового зондирования при комнатной температуре, могут быть достигнуты в системе, которая может быть синтезирована химическим путем».

«Мы воодушевлены возможностями, которые могут открыть эти результаты: от простых в применении слоев для магнитно-резонансной томографии на небольших расстояниях до исследования биологических систем с квантово-усиленной чувствительностью».

Доктор Макс Эттвуд из кафедры материалов Имперского колледжа Лондона и Лондонского центра нанотехнологий, который руководит синтезом и материаловедением в этой работе, сказал: «Эта демонстрация особенно интересна, поскольку, в отличие от неорганических датчиков, молекулы можно химически настраивать и развертывать различными способами. Будущие исследования могут улучшить их квантовые свойства, охватить более широкий спектр сенсорных приложений и использовать точные методы размещения для эффективного обнаружения интересующих целей».