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Pesquisadores descobriram uma maneira de controlar a interação da luz e do ‘spin’ quântico em semicondutores orgânicos, que funciona mesmo em temperatura ambiente.
Spin é o termo para o momento angular intrínseco dos elétrons, que é referido como para cima ou para baixo. Usar os estados de spin para cima/para baixo dos elétrons em vez de 0 e 1 na lógica convencional do computador pode transformar a maneira como os computadores processam as informações. E sensores baseados em princípios quânticos poderiam melhorar muito nossas habilidades de medir e estudar o mundo ao nosso redor.
Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada pela Universidade de Cambridge, encontrou uma maneira de usar partículas de luz como um ‘interruptor’ que pode conectar e controlar o giro dos elétrons, fazendo-os se comportar como minúsculos ímãs que poderiam ser usados para aplicações quânticas. .
Os pesquisadores projetaram unidades moleculares modulares conectadas por minúsculas ‘pontes’. Acender uma luz nessas pontes permitiu que elétrons em extremidades opostas da estrutura se conectassem uns aos outros, alinhando seus estados de rotação. Mesmo depois que a ponte foi removida, os elétrons permaneceram conectados por meio de seus spins alinhados.
Esse nível de controle sobre as propriedades quânticas normalmente só pode ser alcançado em temperaturas ultrabaixas. No entanto, a equipe liderada por Cambridge conseguiu controlar o comportamento quântico desses materiais à temperatura ambiente, o que abre um novo mundo de possíveis aplicações quânticas ao acoplar de forma confiável os spins aos fótons. Os resultados são relatados na revista Natureza.
Quase todos os tipos de tecnologia quântica – baseados no estranho comportamento de partículas no nível subatômico – envolvem spin. À medida que se movem, os elétrons geralmente formam pares estáveis, com um elétron girando para cima e outro para baixo. No entanto, é possível fazer moléculas com elétrons desemparelhados, chamados radicais. A maioria dos radicais é muito reativa, mas com um projeto cuidadoso da molécula, eles podem se tornar quimicamente estáveis.
“Esses spins não emparelhados mudam as regras do que acontece quando um fóton é absorvido e os elétrons são movidos para um nível de energia mais alto”, disse o primeiro autor Sebastian Gorgon, do Laboratório Cavendish de Cambridge. “Temos trabalhado com sistemas em que há um giro líquido, o que os torna bons para emissão de luz e fabricação de LEDs.”
Gorgon é membro do grupo de pesquisa do professor Sir Richard Friend, onde estudam radicais em semicondutores orgânicos para geração de luz, e identificaram uma família de materiais estáveis e brilhantes há alguns anos. Esses materiais podem superar os melhores OLEDs convencionais para geração de luz vermelha.
“Usar truques desenvolvidos por diferentes campos foi importante”, disse o Dr. Emrys Evans, da Swansea University, que co-liderou a pesquisa. “A equipe tem conhecimento significativo em várias áreas da física e da química, como as propriedades de spin dos elétrons e como fazer semicondutores orgânicos funcionarem em LEDs. Isso foi fundamental para saber como preparar e estudar essas moléculas no estado sólido, permitindo nossa demonstração de efeitos quânticos à temperatura ambiente.”
Os semicondutores orgânicos são o estado da arte atual para iluminação e exibições comerciais e podem ser uma alternativa mais sustentável ao silício para células solares. No entanto, eles ainda não foram amplamente estudados para aplicações quânticas, como computação quântica ou sensoriamento quântico.
“Agora demos o próximo grande passo e vinculamos as propriedades ópticas e magnéticas dos radicais em um semicondutor orgânico”, disse Gorgon. “Esses novos materiais são uma grande promessa para aplicações completamente novas, já que conseguimos eliminar a necessidade de temperaturas ultrafrias.”
“Saber o que os spins dos elétrons estão fazendo, muito menos controlá-los, não é simples, especialmente à temperatura ambiente”, disse Friend, que co-liderou a pesquisa. “Mas se pudermos controlar os giros, podemos construir alguns objetos quânticos interessantes e úteis”.
Os pesquisadores projetaram uma nova família de materiais determinando primeiro como eles queriam que os spins dos elétrons se comportassem. Usando essa abordagem de baixo para cima, eles conseguiram controlar as propriedades do material final usando um método de bloco de construção e alterando as ‘pontes’ entre diferentes módulos da molécula. Essas pontes eram feitas de antraceno, um tipo de hidrocarboneto.
Para suas moléculas de ‘misturar e combinar’, os pesquisadores anexaram um radical emissor de luz brilhante a uma molécula de antraceno. Depois que um fóton de luz é absorvido pelo radical, a excitação se espalha para o antraceno vizinho, fazendo com que três elétrons comecem a girar da mesma maneira. Quando outro grupo radical está ligado ao outro lado das moléculas de antraceno, seu elétron também é acoplado, fazendo com que quatro elétrons gire na mesma direção.
“Neste exemplo, podemos ativar a interação entre dois elétrons em extremidades opostas da molécula, alinhando os spins dos elétrons na ponte que absorve um fóton de luz”, disse Gorgon. “Depois de relaxar, os elétrons distantes lembram que estavam juntos mesmo depois que a ponte se foi.
“Nesses materiais que projetamos, absorver um fóton é como ligar um interruptor. O fato de podermos começar a controlar esses objetos quânticos acoplando rotações de forma confiável à temperatura ambiente pode abrir muito mais flexibilidade no mundo das tecnologias quânticas. Há um enorme potencial aqui para ir em muitas novas direções.”
“As pessoas passaram anos tentando fazer com que os spins conversassem de forma confiável entre si, mas começando com o que queremos que os spins façam e, em seguida, os químicos podem projetar uma molécula em torno disso, conseguimos fazer com que os spins se alinhem. “, disse o amigo. “É como se tivéssemos atingido a zona Goldilocks, onde podemos ajustar o acoplamento de rotação entre os blocos de construção de moléculas estendidas”.
O avanço foi possível graças a uma grande colaboração internacional – os materiais foram feitos na China, os experimentos foram feitos em Cambridge, Oxford e Alemanha, e o trabalho teórico foi feito na Bélgica e na Espanha.
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Conselho Europeu de Pesquisa, a União Europeia, o Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI) e a Royal Society. Richard Friend é membro do St John’s College, Cambridge.
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