Исследователи использовали электричество для управления внутренним состоянием молекул.
Предоставлено: Хосе Ладо/Университет Аалто

Управление внутренними состояниями квантовых систем — одна из самых больших проблем в квантовых материалах. На самом глубоком уровне отдельные молекулы могут проявлять разные квантовые состояния, даже обладая одинаковым количеством электронов. Эти состояния связаны с разными электронными конфигурациями, что может привести к совершенно разным свойствам.

Возможность управления электронной конфигурацией отдельных молекул может привести к крупным достижениям как в фундаментальной науке, так и в технике. С одной стороны, управление внутренним состоянием молекул может позволить разработать новые искусственные материалы с экзотическими свойствами. С другой стороны, это также может сделать возможной окончательную миниатюризацию классической компьютерной памяти, поскольку две конфигурации позволят кодировать 0 и 1 в классической единице памяти на молекулярном уровне. Однако управление внутренним состоянием молекул по-прежнему остается сложной задачей, и реалистичных, масштабируемых стратегий для ее преодоления не предложено.

Настройка внутренних состояний путем подачи напряжения

В ходе недавнего экспериментального прорыва исследователи из Университета Аалто и Университета Ювяскюля продемонстрировали способность управлять квантовыми состояниями отдельных молекул с помощью электрически управляемой подложки. Их эксперимент показал, как особый двумерный материал, известный как SnTe, обеспечивает инструментальную стратегию, необходимую для управления молекулярными состояниями.

Механизм, продемонстрированный исследователями, основан на способности субстрата настраивать внутреннее состояние молекул за счет внутренних электрических полей. Этот механизм, известный как сегнетоэлектрическое молекулярное переключение, позволяет исследователям управлять отдельными молекулами, просто прикладывая напряжение к подложке. Стратегия основана на сильной способности SnTe к настройке внешними напряжениями, которая проистекает из уникального квантового свойства, известного как сегнетоэлектричество.

В исследовательскую группу вошли группы профессоров Питера Лильерота, Адама Фостера и Хосе Ладо из Университета Аалто, а группу возглавил профессор Шавулиену Кезилебике из Университета Ювяскюля.

«Наши результаты демонстрируют, как мы можем управлять отдельными молекулами, используя электрически настраиваемые двумерные материалы. С практической точки зрения двумерные сегнетоэлектрики оказались полезными, поскольку их сверхчистый интерфейс позволяет реализовать эту стратегию квантового управления на молекулярном уровне, открывающая захватывающие возможности в искусственных материалах и одномолекулярной электронике», — говорит Кезилебике.

«В наших экспериментах мы продемонстрировали, как двумерные сегнетоэлектрики позволяют нам реализовать электрически переключаемые квантовые состояния. Электрическое управление квантовыми состояниями является важной вехой в квантовых материалах, и здесь мы продемонстрировали одну стратегию для этого на самом глубоком уровне отдельных молекул, " — говорит доктор философии, исследователь Мохаммад Амини, первый автор исследования.

Квантовый контроль молекул с помощью эффектов субстрата открывает новые возможности в квантовой материи, включая создание искусственных молекулярных материалов с переключаемыми состояниями. Исследование было недавно опубликовано в Advanced Materials.