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Enhancing the Optically Detected Magnetic Resonance Signal of Organic Molecular Qubits

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作者
Yong Rui Poh,Joel Yuen-Zhou
出处
期刊:ACS central science [American Chemical Society]
卷期号:11 (1): 116-126
标识
DOI:10.1021/acscentsci.4c01632
摘要

In quantum information science and sensing, electron spins are often purified into a specific polarization through an optical-spin interface, a process known as optically detected magnetic resonance (ODMR). Diamond-NV centers and transition metals are both excellent platforms for these so-called color centers, while metal-free molecular analogues are also gaining popularity for their extended polarization lifetimes, milder environmental impacts, and reduced costs. In our earlier attempt at designing such organic high-spin π-diradicals, we proposed to spin-polarize by shelving triplet MS = ±1 populations as singlets. This was recently verified by experiments albeit with low ODMR contrasts of <1% at temperatures above 5 K. In this work, we propose to improve the ODMR signal by moving singlet populations back into the triplet MS = 0 sublevel, designing a true carbon-based molecular analogue to the NV center. Our proposal is based upon transition-orbital and group-theoretical analyses of beyond-nearest-neighbor spin–orbit couplings, which are further confirmed by ab initio calculations of a realistic trityl-based radical dimer. Microkinetic analyses point toward high ODMR contrasts of around 30% under experimentally feasible conditions, a stark improvement from previous works. Finally, in our quest toward ground-state optically addressable molecular spin qubits, we exemplify how our symmetry-based design avoids Zeeman-induced singlet–triplet mixings, setting the scene for realizing electron spin qubit gates.

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