室温下量子材料实现“自旋”控制

科技日报记者 张佳欣

据《自然》杂志16日报道，英国剑桥大学领导的一个国际研究团队找到了一种控制有机半导体中光和量子“自旋”相互作用的方法，即使在室温下也能发挥作用，为潜在的量子应用开辟了新前景。

量子材料中的电子自旋（示意图）。
图片来源：剑桥大学卡文迪什实验室/塞巴斯蒂安·戈尔贡

几乎所有量子技术都涉及自旋。电子运动时通常会形成稳定的电子对，一个电子自旋向上，一个电子自旋向下。然而，有可能形成带有未配对电子的分子——自由基。大多数自由基都是非常活泼的，但如果仔细设计分子，它们就可在化学上稳定下来。

此前，研究人员一直在研究有机半导体中的自由基，以让其产生光。有机半导体是目前用于制造先进照明和商业显示器的材料，它们可能是硅的一种更可持续的替代品。研究人员此次将有机半导体中自由基的光学性质和磁性联系在一起。

研究人员首先确定电子自旋的行为方式，从而设计了一系列新材料。通过使用构建块方法和改变分子不同模块之间的“桥梁”，他们能控制最终材料的性质。这些“桥梁”是由蒽（一种碳氢化合物）制成的。

对于“混搭”分子，研究人员将一个明亮的发光自由基连接到一个蒽分子上。在光子被自由基吸收后，激发扩散到邻近的蒽上，导致3个电子开始以同样的方式旋转。当另一个自由基团连接到蒽分子的另一侧时，它的电子也会耦合，使4个电子朝同一方向旋转。

在这些材料中，吸收一个光子就像打开了一个开关。研究人员可通过在室温下可靠地耦合自旋来控制这些量子物体，这为量子技术领域带来了更大的灵活性，并找到更多应用。