Los investigadores han encontrado una forma de controlar la interacción de la luz y el «giro» cuántico en semiconductores orgánicos que funcionan incluso a temperatura ambiente.

Spin es un término para el momento angular intrínseco de los electrones, que se conoce como arriba o abajo. El uso de los estados de giro arriba/abajo de los electrones en lugar de los 0 y 1 en la lógica informática tradicional puede cambiar la forma en que las computadoras procesan la información. Los sensores basados ​​en principios cuánticos podrían mejorar en gran medida nuestra capacidad para medir y estudiar el mundo que nos rodea.

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de Cambridge, ha encontrado una manera de usar partículas de luz como un «interruptor» que puede conectar y controlar el giro de los electrones, haciéndolos comportarse como pequeños imanes que pueden usarse en aplicaciones cuánticas. . .

Los investigadores diseñaron módulos moleculares modulares conectados por diminutos «puentes». Resaltar estos puentes permite que los electrones en los extremos opuestos de la estructura se contacten entre sí alineando sus estados de espín. Incluso después de que se eliminó el puente, los electrones permanecieron conectados a través de sus espines alineados.

Este nivel de control sobre las propiedades cuánticas generalmente solo se puede lograr a temperaturas muy bajas. Sin embargo, el equipo dirigido por Cambridge ha logrado controlar el comportamiento cuántico de estos materiales a temperatura ambiente, lo que abre un nuevo mundo de posibles aplicaciones cuánticas mediante la unión fiable de fotones. Los resultados se publican en la revista naturaleza.

Casi toda la tecnología cuántica, basada en el extraño comportamiento de las partículas a nivel subatómico, involucra el giro. A medida que se mueven, los electrones suelen formar pares estables, con un electrón girando hacia arriba y otro girando hacia abajo. Sin embargo, es posible formar moléculas con electrones desapareados llamados radicales. La mayoría de los radicales son altamente reactivos, pero con un diseño molecular cuidadoso, se pueden hacer químicamente estables.

«Estos giros no dobles cambian las reglas de lo que sucede cuando se absorbe un fotón y los electrones se mueven a un nivel de energía más alto». dijo el primer autor Sebastien Gorgon, del Laboratorio Cavendish en Cambridge. «Hemos estado trabajando con sistemas en los que solo hay una rotación de celosía, lo que los hace buenos para emitir luz y fabricar LED».

Gorgon es miembro del grupo de investigación del profesor Sir Richard Friend, donde estudiaban las raíces de los semiconductores orgánicos para la generación de luz e identificaron una familia estable y brillante de materiales hace unos años. Estos materiales pueden vencer a los mejores OLED tradicionales para generar luz roja.

“Fue importante usar trucos desarrollados por diferentes campos”, dijo el Dr. Emrys Evans de la Universidad de Swansea, quien codirigió la investigación. El equipo tiene una gran experiencia en varias áreas de la física y la química, como las propiedades de espín de los electrones y cómo hacer que los semiconductores orgánicos funcionen en los LED. Esto fue fundamental para aprender a preparar y estudiar estas partículas en estado sólido, lo que nos permitió ver los efectos cuánticos a temperatura ambiente».

Los semiconductores orgánicos son la última tecnología en iluminación y pantallas comerciales, y podrían ser una alternativa más sostenible al silicio para las células solares. Sin embargo, no se ha estudiado mucho para aplicaciones cuánticas, como la computación cuántica o la detección cuántica.

«Ahora hemos dado el siguiente gran paso y hemos vinculado las propiedades ópticas y magnéticas de los radicales en los semiconductores orgánicos». dijo Gorgona. «Estos nuevos materiales son prometedores para aplicaciones completamente nuevas, ya que hemos podido eliminar la necesidad de temperaturas extremadamente frías».

«Saber qué hacen los electrones de espín, y mucho menos controlarlos, no es fácil, especialmente a temperatura ambiente». dijo Siddig, quien codirigió la investigación. «Pero si podemos controlar los giros, podemos construir algunos objetos cuánticos interesantes y útiles».

Los investigadores diseñaron una nueva familia de materiales determinando primero cómo querían que se comportara el electrón de espín. Usando este enfoque de abajo hacia arriba, pudieron controlar las propiedades del material final utilizando un método de bloques de construcción y alterar los «puentes» entre las diferentes unidades de la molécula. Estos puentes estaban hechos de antraceno, un tipo de hidrocarburo.

Para mezclar y combinar moléculas, los investigadores unieron un radical fotoluminiscente a una molécula de antraceno. Después de que el radical absorbe un fotón de luz, la excitación se propaga al antraceno adyacente, provocando que tres electrones comiencen a girar de la misma manera. Cuando otro grupo radical se une al otro lado de las moléculas de antraceno, su electrón también se empareja, lo que hace que cuatro electrones giren en la misma dirección.

«En este ejemplo, podemos desencadenar la interacción entre dos electrones en los extremos opuestos de la molécula al alinear los espines de los electrones en el puente para absorber un fotón de luz». dijo Gorgona. Después de relajarse de nuevo, los electrones más distantes recuerdan que estaban juntos incluso después de que el puente se había ido.

«En estos materiales que hemos diseñado, la absorción de fotones es como encender un interruptor. El hecho de que podamos comenzar a controlar estos objetos cuánticos mediante un acoplamiento confiable a temperatura ambiente podría abrir una mayor flexibilidad en el mundo de las tecnologías cuánticas. Hay una enorme potencial aquí para ir en muchas direcciones nuevas.

«La gente ha pasado años tratando de hacer que los giros se comuniquen entre sí de manera confiable, pero al comenzar con lo que queremos que hagan los giros y luego los químicos pueden diseñar una molécula en torno a eso, hemos podido hacer que los giros coincidan, « Dijo el amigo. «Es como si hubiéramos llegado al territorio de Ricitos de Oro donde podemos sintonizar el acoplamiento de espín entre los componentes básicos de las moléculas estiradas».

El progreso fue posible gracias a una importante colaboración internacional: los materiales se fabricaron en China, los experimentos se llevaron a cabo en Cambridge, Oxford y Alemania, y el trabajo teórico se realizó en Bélgica y España.

La investigación fue apoyada en parte por el Consejo Europeo de Investigación, la Unión Europea, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), en parte por Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI) y la Royal Society. Richard Friend es miembro del St John’s College de Cambridge.

fuente: https://www.cam.ac.uk/