Квантовые сенсоры могут перевернуть многие области технологий и науки, особенно биомедицинские исследования. Главная идея — детектировать и управлять спином электрона, его магнитными свойствами, с помощью света. Раньше такое можно было проделать лишь с очень редкими и дорогими материалами, например, с наноалмазами, имеющими особые дефекты.

Спин электрона — это внутреннее свойство электрона, которое можно грубо представить как его крошечный собственный магнит, имеющий направление ( «северный» и „южный“ полюс). Это не вращение в классическом смысле, а фундаментальная квантовая характеристика, как заряд или масса. Именно спин лежит в основе магнетизма и является носителем информации в квантовых технологиях.

Но теперь все меняется. В журнале Nature Chemistry ученые представили органическую молекулу, в которой оптические свойства напрямую связаны со спином электрона. Ее основа — две небольшие молекулярные части, в каждой из которых находится неспаренный электрон (их называют спиновыми радикалами). Когда эти части соединяются в одну молекулу-дирадикал, спины двух электронов могут выстроиться двумя разными способами: в одном направлении (триплетное состояние) или в противоположных (синглетное состояние).

Тонко настроенный молекулярный дизайн — ключ к надежному взаимодействию двух спиновых единиц, — объясняет доктор Петри Мурто из группы профессора Хьюго Бронштейна (Кембриджский университет).

Именно это взаимодействие определяет цвет молекулы, когда она поглощает частицу света — фотон.

Молекулу можно сравнить с крошечным механическим термометром или компасом, у которого вместо стрелки — цветовая шкала. Обычный спиртовой термометр показывает температуру по высоте столбика, а эта молекула — по своему цвету. Изменение магнитного поля, температуры или химического состава вокруг — это как поворот компаса или нагрев термометра. И «стрелка»-цвет мгновенно и очень точно меняется, указывая на произошедшие изменения. Только чувствительность у такого „молекулярного прибора“ на многие порядки выше.

Когда спины электронов направлены одинаково, молекула светится оранжевым светом. А когда они направлены в противоположные стороны, молекула испускает ближнее инфракрасное излучение, — говорит Ритупарно Чоудхури, ведущий автор исследования.

Это означает, что квантовое состояние молекулы можно определить буквально на глаз — по ее цвету.

Квантовые состояния невероятно чувствительны к окружению: магнитным полям, температуре, химическому составу среды. Поэтому с их помощью изменения в среде можно уловить с гораздо большей чувствительностью, чем с помощью классических материалов.

Наблюдаемый сдвиг цвета связан с известной моделью для магнитных материалов — моделью Хаббарда, которая описывает энергию отталкивания двух электронов на одном узле. Раньше ее применяли в основном к неорганическим материалам, включая высокотемпературные сверхпроводники.

Прикладывая магнитное поле, мы можем перевести молекулу в триплетное состояние и заставить ее светиться оранжевым. При низких температурах и без поля доминирует синглетное состояние, и свечение сдвигается в инфракрасную область. С помощью микроволновых импульсов можно также управлять переходами между состояниями — это тип когерентного контроля над спином, который обычно наблюдается в гораздо более сложных твердотельных системах, — добавляет доктор Алексей Чепелянский.

Цветом можно управлять с помощью температуры или магнитного поля. Я бы никогда не поверил, что такие материалы вообще могут существовать. Это открывает целый новый класс углеродных материалов с контролируемыми спиново-оптическими свойствами — материалов, которые не только высоколюминесцентны, но и гораздо проще в обработке, чем традиционные, — отмечает профессор Хьюго Бронштейн.

Ранее ученые из Кавендишской лаборатории уже показали, что отдельные спиновые радикалы можно использовать для создания высокоэффективных органических светодиодов (OLED), работающих в красном и ближнем инфракрасном диапазоне.

С этим новым достижением мы сделали шаг дальше: показали, как спиновое взаимодействие в тщательно спроектированных дирадикальных молекулах может настраивать их реакцию на свет, и как, в свою очередь, этот свет можно использовать для считывания или даже управления спиновым состоянием, — комментирует профессор сэр Ричард Френд.

Это открытие прокладывает путь к молекулярным квантовым технологиям для обработки информации и сенсорики, где небольшой размер, химическая управляемость и низкая стоимость могут ускорить внедрение.

Реальная польза лежит в плоскости сверхчувствительной диагностики. Представьте компактный биосенсор на основе таких молекул, встроенный в гаджет. Он мог бы по капле крови или выдыхаемому воздуху не просто обнаружить маркер болезни, а уловить ничтожные изменения в его магнитном окружении, сигнализирующие о заболевании на самой ранней, доклинической стадии. Вторая перспектива — хранение и обработка квантовой информации на дешевой, гибкой органической основе, что сделает квантовые вычисления более доступными. В более близкой перспективе — новые типы OLED-дисплеев с чистым и насыщенным инфракрасным излучением для устройств ночного видения или безопасной биометрической идентификации.

Основной вызов — стабильность. Дирадикалы с неспаренными электронами часто химически очень активны и нестабильны, особенно в условиях, необходимых для практического применения (например, в водных растворах для биосенсоров или при комнатной температуре в устройствах). В статье результаты, судя по контексту, получены в контролируемых лабораторных условиях, возможно, при низких температурах. Вопрос о том, сохранят ли эти молекулы свои уникальные спиново-оптические свойства в реальных устройствах в течение длительного времени, остается открытым и требует дальнейших инженерных решений.

Ранее ученые разработали молекулу-детектор для нафталина.