La détection quantique a un potentiel transformationnel dans de nombreux domaines de la technologie et de la science, la recherche biomédicale le plus bien en évidence. La prémisse de base est de détecter et de manipuler l'état de spin d'un électron – les propriétés magnétiques des électrons qui peuvent être utilisées pour stocker des informations quantiques à l'aide de la lumière. Cette capacité s'est auparavant limitée à des matériaux hautement exotiques ou coûteux tels que les diamants de taille nano avec des défauts atomiques spécifiques.
Maintenant, dans un article publié dans Chimie de la nature, Les scientifiques ont signalé une molécule organique construite à partir d'atomes de carbone dans lesquels ses propriétés optiques sont intrinsèquement liées au spin de son électron. Il est basé sur deux petites unités moléculaires, chacune portant un électron non apparié (appelé radical de spin).
Lorsque ces deux unités sont connectées pour former un diradical, les deux tours d'électrons peuvent s'aligner de deux manières différentes: pointant dans la même direction (appelée état de triplet) ou dans des directions opposées (un état singulet).
« La conception moléculaire affinée est essentielle pour obtenir une interaction fiable entre les deux unités radicales de spin », explique le Dr Petri Murto, travaillant dans le groupe du professeur Hugo Bronstein, Département de chimie de Yusuf Hamied, Université de Cambridge.
L'interaction entre les deux configurations de spin d'électrons contrôle la couleur de la molécule lorsqu'un photon – une particule de lumière – est absorbé dans le diradical.
« Lorsque les deux tours d'électrons pointent dans la même direction, la molécule émet une lumière orange; mais lorsque les deux tours d'électrons pointent dans des directions opposées, la molécule émet près de la lumière infrarouge », explique Rituparno Chowdhury, premier auteur et doctorat. Étudiant travaillant dans le groupe du professeur Sir Richard Friend au Département de physique de l'Université de Cambridge.
« Cela vous permet de détecter et de connaître très facilement les états quantiques de la molécule simplement en regardant la couleur. »
Parce que les états quantiques d'une molécule sont extrêmement sensibles à leur environnement, tels que les champs magnétiques, la température ou l'environnement chimique – les scientifiques peuvent détecter des changements dans l'environnement avec une sensibilité beaucoup plus grande que l'utilisation de matériaux traditionnels («classiques»).
Le décalage des couleurs observé est connecté à un modèle connu pour les matériaux magnétiques où l'énergie de Hubbard est le coût de la mise en place de deux électrons sur le même site. Ce modèle est largement utilisé pour les matériaux inorganiques, y compris les supraconducteurs à haute température.
« En appliquant un champ magnétique, nous pouvons pousser la molécule dans l'état du triplet et le faire briller orange. À de basses températures, sans le champ, l'état singulet domine, et la molécule brille dans les États proches. Paris-Saclay.
« La sortie de couleur peut être réglée en utilisant la température ou un champ magnétique. Je n'aurais jamais cru que des matériaux comme celui-ci pourraient même exister. Cela ouvre une toute nouvelle classe de matériaux à base de carbone avec des propriétés spin-optiques contrôlables – des matériaux qui ne sont pas seulement des notes très luminescents, mais aussi beaucoup plus simples de procédure que les matériaux traditionnels », a déclaré le professeur Hugo Bronstein, Yusuf Hamied Department of Chemistry, University of Cambridge.
Dans une recherche antérieure, les scientifiques du Cavendish Laboratory avaient déjà montré que les unités individuelles du radical spin-radical pouvaient être utilisées pour fabriquer des diodes émettantes organiques (OLED) très efficaces opérant en rouge et en proche infrarouge.
« Avec cette nouvelle avancée, nous avons poussé un peu plus loin: montrant comment les interactions de spin dans les molécules diradicales soigneusement conçues peuvent régler la façon dont la molécule réagit à la lumière, et à son tour, comment cette lumière peut être utilisée pour lire ou même contrôler l'état de spin », remarque le professeur Sir Richard Friend, Cavendish Laboratory, University of Cambridge.
Cette nouvelle découverte ouvre la porte aux informations quantiques et à la technologie de détection moléculaire, où la petite taille, le contrôle chimique et le faible coût pourraient accélérer la mise en œuvre.
