Araştırmacılar, oda sıcaklığında bile çalışan organik yarı iletkenlerde ışık ve kuantum ‘spin’ etkileşimini denetim etmenin bir yolunu buldular.
Fotoğraf Kredisi: Sebastian Gorgon
Spin, yukarı yada aşağı olarak adlandırılan elektronların içsel açısal momentumu için kullanılan terimdir. Geleneksel bilgisayar mantığında 0 ve 1 yerine elektronların yukarı/aşağı dönüş durumlarını kullanmak, bilgisayarların bilgiyi işleme biçimini değiştirebilir. Ve kuantum ilkelerine dayalı sensörler, çevremizdeki dünyayı ölçme ve araştırma becerilerimizi büyük seviyede geliştirebilir.
Cambridge Üniversitesi liderliğindeki internasyonal bir araştırma ekibi, ışık parçacıklarını, elektronların dönüşünü bağlayıp denetim edebilen ve kuantum uygulamaları için kullanılabilecek minik mıknatıslar şeklinde davranmalarını elde eden bir ‘anahtar’ olarak kullanmanın bir yolunu buldu. .
Araştırmacılar, minik ‘köprüler’ ile birbirine bağlanan modüler moleküler birimler tasarladılar. Bu köprülere ışık tutmak, yapının zıt uçlarındaki elektronların dönüş durumlarını hizalayarak birbirlerine bağlanmasına izin verdi. Köprü kaldırıldıktan sonrasında bile, elektronlar hizalanmış dönüşleri vasıtasıyla bağlı kaldılar.
Kuantum özellikleri üstündeki bu düzeyde denetim, normalde yalnızca oldukça düşük sıcaklıklarda elde edilebilir. Bununla beraber, Cambridge liderliğindeki ekip, bu malzemelerin kuantum davranışını oda sıcaklığında denetim edebildi; bu da, dönüşleri fotonlara güvenilir bir halde bağlayarak yeni bir potansiyel kuantum uygulamaları dünyasının kapılarını açıyor. Sonuçlar dergide bildirilir Tabiat.
Atom altı seviyedeki parçacıkların acayip davranışlarına dayanan kuantum teknolojisinin neredeyse tüm türleri spin ihtiva eder. Hareket ettikçe, elektronlar çoğu zaman bir elektron dönüşü bir yukarı ve bir dönüşü aşağı olmak suretiyle emin çiftler oluşturur. Bununla beraber, eşleşmemiş elektronlara haiz, köktencilik isminde olan moleküller yapmak mümkündür. Radikallerin bir çok oldukça reaktiftir, sadece molekülün dikkatli tasarımıyla kimyasal olarak emin hale getirilebilirler.
“Bu eşleşmemiş dönüşler, bir foton emildiğinde ve elektronlar daha yüksek bir enerji seviyesine taşındığında ne olacağına dair kuralları değiştiriyor.” dedi Cambridge Cavendish Laboratuvarı’ndan ilk yazar Sebastian Gorgon. “Bir net dönüşün olduğu sistemlerle çalışıyoruz, bu da onları ışık emisyonu ve LED’ler yapmak için iyi yapıyor.”
Gorgon, Profesör Sir Richard Friend’in ışık üretimi için organik yarı iletkenlerdeki radikalleri inceledikleri ve birkaç yıl ilkin emin ve parlak bir araç-gereç ailesi belirledikleri araştırma grubunun bir üyesidir. Bu malzemeler, kırmızı ışık üretimi için en iyi geleneksel OLED’leri yenebilir.
“Değişik alanların geliştirdiği hileleri kullanmak önemliydi” Araştırmayı yürüten Swansea Üniversitesi’nden Dr Emrys Evans, dedi. “Ekip, elektronların dönme özellikleri ve organik yarı iletkenlerin LED’lerde iyi mi çalıştırılacağı şeklinde fizik ve kimyanın çeşitli alanlarında mühim bir uzmanlığa haiz. Bu, bu molekülleri katı halde iyi mi hazırlayacağımızı ve inceleyeceğimizi bilmek için kritikti ve oda sıcaklığında kuantum etkilerini göstermemizi sağlamış oldu.”
Organik yarı iletkenler, aydınlatma ve ticari teşhirler için mevcut son olarak teknolojidir ve güneş pilleri için silikona daha sürdürülebilir bir alternatif olabilirler. Bununla beraber, kuantum hesaplama yada kuantum idrak etme şeklinde kuantum uygulamaları için hemen hemen geniş çapta incelenmemiştir.
“Şimdi bir sonraki büyük adımı attık ve organik bir yarı iletkendeki radikallerin optik ve manyetik özelliklerini birbirine bağladık.” dedi Gorgon. “Bu yeni malzemeler, ultra soğuk sıcaklıklara olan ihtiyacı ortadan kaldırabildiğimiz için tamamen yeni uygulamalar için büyük ümit vaat ediyor.”
“Elektron spinlerinin ne yaptığını bilmek, bırakın onları denetim etmeyi, bilhassa oda sıcaklığında kolay değil.” dedi araştırmayı yöneten Friend. “Sadece dönüşleri denetim edebilirsek, bazı garip ve kullanışlı kuantum nesneleri oluşturabiliriz.”
Araştırmacılar, ilkin elektron spinlerinin iyi mi davranmasını istediklerini belirleyerek yeni bir araç-gereç ailesi tasarladılar. Bu aşağıdan yukarıya yaklaşımı kullanarak, bir yapı taşı yöntemi kullanarak ve molekülün değişik modülleri arasındaki ‘köprüleri’ değiştirerek son malzemenin özelliklerini denetim edebildiler. Bu köprüler, bir tür hidrokarbon olan antrasenden yapılmıştır.
Araştırmacılar, ‘karıştır ve eşleştir’ molekülleri için bir antrasen molekülüne parlak ışık yürüyerek bir köktencilik eklediler. Köktencilik tarafınca bir ışık fotonu emildikten sonrasında, uyarım komşu antrasen üstüne yayılır ve üç elektronun aynı şekilde dönmeye başlamasına niçin olur. Antrasen moleküllerinin öteki tarafına başka bir köktencilik grup eklendiğinde, elektronu da birleşerek dört elektronun aynı yönde dönmesini sağlar.
“Bu örnekte, bir ışık fotonunu emen köprüdeki elektron dönüşlerini hizalayarak molekülün zıt uçlarındaki iki elektron arasındaki etkileşimi etkinleştirebiliriz.” dedi Gorgon. “Geri çekildikten sonrasında, uzaktaki elektronlar, köprü gittikten sonrasında bile beraber olduklarını hatırlıyorlar.
“Tasarladığımız bu malzemelerde, bir fotonu soğurmak, bir düğmeyi açmak gibidir. Oda sıcaklığında dönüşleri güvenilir bir halde bağlayarak bu kuantum nesnelerini denetim etmeye başlayabilmemiz gerçeği, kuantum teknolojileri dünyasında oldukça daha çok esneklik sağlayabilir. Burada birçok yeni yöne gitmek için büyük bir potansiyel var.”
“İnsanlar, birbirleriyle güvenilir bir halde konuşmak için spinleri elde etmek için yıllarını harcadılar, sadece bunun yerine spinlerin yapmasını istediğimiz şeyle başlayarak ve arkasından kimyagerler bunun çevresinde bir molekül tasarlayabilirler, spinleri hizalamayı başardık. ” dedi Dost. “Genişletilmiş moleküllerin yapı taşları arasındaki spin kuplajını ayarlayabileceğimiz Goldilocks bölgesine çarpmış gibiyiz.”
İlerleme, büyük bir internasyonal ortaklık yardımıyla mümkün oldu – malzemeler Çin’de yapılmış oldu, Cambridge, Oxford ve Almanya’da deneyler yapılmış oldu ve Belçika ve İspanya’da kuram emek harcamaları yapılmış oldu.
Araştırma kısmen Avrupa Araştırma Konseyi, Avrupa Birliği, Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (EPSRC), Birleşik Krallık Araştırma ve İnovasyon’un (UKRI) bir parçası ve Royal Society tarafınca desteklenmiştir. Richard Friend, Cambridge’deki St John’s College’ın bir üyesidir.
Kaynak: https://www.cam.ac.uk/
Source: www.azonano.com