Органические молекулы открывают новые возможности для квантовых сенсоров

Верхняя панель: молекулярная структура и два электронных спина в синглетном состоянии (антипараллельные спины). Средняя панель: волновые функции электрона (красный) и дырки (синий) после переноса заряда в синглетном состоянии. Нижняя панель: разный цвет люминесценции в синглетном состоянии (нулевое магнитное поле) и триплетном состоянии (сильное магнитное поле). Автор: Cavendish Laboratory

Квантовые сенсоры обладают огромным потенциалом для преобразования технологий, особенно в биомедицинских исследованиях. Их принцип основан на детектировании и управлении спиновым состоянием электрона — магнитными свойствами, которые можно использовать для хранения квантовой информации с помощью света. До сих пор эта технология требовала применения дорогих или экзотических материалов, таких как наноалмазы с определёнными атомными дефектами.

В новой статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry, учёные описали органическую молекулу на основе углерода, чьи оптические свойства напрямую связаны со спином электрона. Молекула состоит из двух небольших структурных единиц, каждая из которых содержит неспаренный электрон (так называемый спиновый радикал).

Когда эти две части соединяются, образуя дирадикал, спины электронов могут выстраиваться двумя способами: в одном направлении (триплетное состояние) или в противоположных направлениях (синглетное состояние).

«Тонко настроенный молекулярный дизайн — ключ к надёжному взаимодействию между двумя спиновыми радикалами», — поясняет доктор Петри Мурто из группы профессора Хьюго Бронштейна (Кембриджский университет).

Взаимодействие между спиновыми конфигурациями определяет цвет молекулы при поглощении фотона (частицы света).

«Если спины электронов направлены одинаково, молекула излучает оранжевый свет, а если противоположно — ближний инфракрасный свет», — объясняет Ритупарно Чоудхури, ведущий автор исследования и аспирант группы профессора сэра Ричарда Френда.

Квантовые состояния молекул крайне чувствительны к окружающей среде — магнитным полям, температуре или химическому окружению. Это позволяет детектировать изменения с гораздо большей точностью, чем при использовании классических материалов.

Наблюдаемый сдвиг цвета связан с моделью Хаббарда, применяемой для магнитных материалов. Обычно её используют для неорганических соединений, включая высокотемпературные сверхпроводники.

«Применяя магнитное поле, мы можем перевести молекулу в триплетное состояние и заставить её светиться оранжевым. При низких температурах и без поля доминирует синглетное состояние, и свечение смещается в ближний ИК-диапазон», — добавляет доктор Алексей Чепелянский из Университета Париж-Сакле.

Это открытие прокладывает путь к созданию молекулярных квантовых сенсоров и систем хранения информации, которые будут компактными, дешёвыми и легко настраиваемыми.

Дополнительная информация: Chowdhury, R., et al. Bright triplet and bright charge-separated singlet excitons in organic diradicals enable optical read-out and writing of spin states. Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01875-z