Quantum Dot–Organic Molecule Conjugates as Hosts for Photogenerated Spin Qubit Pairs

化学 结合 量子点 量子位元 自旋(空气动力学) 分子 有机分子 化学物理 量子 光化学 量子力学 物理 数学 有机化学 热力学 数学分析
作者
Autumn Y. Lee,Troy A. Colleran,Amisha Jain,Jens Niklas,Brandon K. Rugg,Tomoyasu Mani,Oleg G. Poluektov,Jacob H. Olshansky
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (8): 4372-4377 被引量:11
标识
DOI:10.1021/jacs.2c11952
摘要

The inherent spin polarization present in photogenerated spin-correlated radical pairs makes them promising candidates for quantum computing and quantum sensing applications. The spin states of these systems can be probed and manipulated with microwave pulses using electron paramagnetic resonance spectrometers. However, to date, there are no reports on magnetic resonance-based spin measurements of photogenerated spin-correlated radical pairs hosted on quantum dots. In the current work, we prepare dye molecule-inorganic quantum dot conjugates and show that they can produce photogenerated spin-polarized states. The dye molecule, D131, is chosen for its ability to undergo efficient charge separation, and the nanoparticle materials, ZnO quantum dots, are chosen for their promising spin properties. Transient and steady state optical spectroscopy performed on ZnO quantum dot-D131 conjugates shows that reversible photogenerated charge separation is occurring. Transient and pulsed electron paramagnetic resonance experiments are then performed on the photogenerated radical pair, which demonstrate that (1) the radical pair is polarized at moderate temperatures and well modeled by existing theories and (2) the spin states can be accessed and manipulated with microwave pulses. This work opens the door to a new class of promising qubit materials that can be photogenerated in polarized states and hosted by highly tailorable inorganic nanoparticles.
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