Qubits de espín moleculares en una botella de van der Waals
Contexto
Este trabajo queda algo apartado incluso entre sus vecinos del archivo: junto a él aparecen estudios sobre entrelazamiento en cristales planos, moléculas puente entre espín y luz, y laberintos de hielo de líquidos cuánticos tridimensionales. Todos ellos abordan, de una forma u otra, el problema común de cómo preservar los frágiles estados cuánticos en un sólido. Lo que distingue a este artículo es que no busca un material nuevo ni un tipo nuevo de qubit, sino que propone un truco universal: aprovechar el espacio vacío entre las capas de un cristal bidimensional como una nanocelda ya hecha. El cobaltoceno no es aquí el objetivo, sino una sonda sensible: su espín depende fuertemente del entorno, de modo que cualquier cambio de simetría se refleja de inmediato en los espectros de resonancia paramagnética electrónica.
Métodos
Los cristales de SnS2 y CdPS3 se sumergieron en una disolución de cobaltoceno en acetonitrilo. Una reacción redox transfirió un electrón de la molécula a las capas del huésped, y el catión resultante [Cp2Co]+, junto con una pequeña proporción de moléculas neutras, se insertó en el espacio interlaminar. La composición y la estructura se verificaron mediante difracción de rayos X, espectroscopia Mössbauer en núcleos de estaño-119, microscopía electrónica de transmisión y espectroscopia de efecto túnel de barrido. La coherencia se midió con resonancia paramagnética electrónica pulsada: una secuencia de inversión-recuperación proporcionó T1, y un eco de Hahn de dos pulsos, el tiempo de memoria de fase Tm. La orientación de las moléculas se determinó a partir de la dependencia angular de los espectros y de la evolución térmica del modo Raman A1g.
Resultados
El confinamiento vdW aumentó T1 en más de dos órdenes de magnitud: de 5,2 μs en cobaltoceno sin confinar (5 mol% en Cp2Ru) a 1,1 ms en SnS2 y 0,09 ms en CdPS3 a 5 K. La señal de eco de las moléculas confinadas se mantuvo hasta 100 K, mientras que el cobaltoceno libre dejaba de dar eco ya a 10 K. El tiempo de memoria de fase Tm fue de 1,8 μs (SnS2) y 0,6 μs (CdPS3), mil veces más corto que T1 y limitado por el entorno protónico de los ligandos. La difracción electrónica mostró una superestructura 2a × 2a, lo que indica que las moléculas se auto-organizan en una red triangular con el doble del periodo del huésped. A 5 K las moléculas están verticales (el eje C5 es paralelo al eje c del cristal), y al calentar por encima de 156 K se tumban. El modelo de hamiltoniano de ion único explicó el aumento de T1: el confinamiento intensifica la distorsión de Jahn-Teller en relación con la interacción espín-órbita, apaga el momento orbital y elimina el canal de inversión de espín necesario para una relajación rápida.
Implicaciones
La principal diferencia con los trabajos vecinos no es un material nuevo ni un récord de coherencia, sino la demostración de que la propia geometría del hueco vdW puede ser una herramienta de ingeniería de estados cuánticos. Los vecinos del archivo estudian el entrelazamiento en cristales planos o moléculas en superficies, donde el sustrato a menudo perjudica la coherencia. Aquí el sustrato no estorba, sino que ayuda: fija la orientación, suprime los modos vibracionales y reordena la jerarquía de escalas de energía. Esta es la primera realización experimental de confinamiento vdW de qubits de espín moleculares, y puede trasladarse a otros pares «molécula-material bidimensional».
Desarrollo futuro
La mejora más inmediata es deuterar los anillos ciclopentadienilo para eliminar el baño protónico y aumentar Tm. Después se puede variar el huésped: cambiar la anchura de la banda prohibida, introducir iones magnéticos en las capas o crear heteroestructuras de distintos materiales vdW. Como los cristales se exfolian fácilmente hasta monocapas, se abre el camino hacia dispositivos híbridos en los que el qubit molecular conviva con circuitos fotónicos o superconductores. El concepto de «botella» es aplicable también a otros metalocenos y a complejos más estables de iones de tierras raras.
Impacto
El resultado influirá en la detección cuántica, donde se necesitan marcadores de espín con resolución nanométrica, y en la arquitectura de dispositivos cuánticos híbridos basados en materiales bidimensionales. La capacidad de ajuste químico del hueco vdW también puede ser útil en espintrónica, donde los conjuntos moleculares actúan como redes magnéticas ordenadas.
Próximos pasos
Sintetizar cobaltoceno deuterado y medir Tm en los mismos huéspedes. Comprobar si el enfoque se puede trasladar a complejos con tiempos de relajación más largos, como porfirinas de vanadilo o imanes mononucleares de tierras raras.
Problemas abiertos clave
Para la química de los qubits moleculares, el problema central sin resolver es mantener la coherencia al integrarlos en un dispositivo. Este trabajo muestra que el confinamiento vdW lo resuelve mediante el control de la simetría y del espectro vibracional, no aislando la molécula. Queda abierta la cuestión de hasta qué punto este truco es universal para complejos con espín grande y fuerte interacción espín-órbita.
El cobaltoceno es el famoso «sándwich» de dos anillos ciclopentadienilo y un átomo de cobalto, por cuyo descubrimiento estructural Ernst Otto Fischer y Geoffrey Wilkinson recibieron el Premio Nobel de Química en 1973. En este trabajo hace de canario en la mina: su espín es tan sensible al entorno que, a partir del espectro, se puede reconstruir la simetría de la celda en la que se ha metido.
La idea de atrapar una molécula individual en una cavidad nanométrica y hacer que funcione como qubit recuerda a la «trampa de átomos» de la novela de Greg Egan «Cuantica»: allí los estados cuánticos se aíslan del entorno para usarlos en cálculos. Eso sí, en Egan el aislamiento es casi perfecto, mientras que aquí el confinamiento no aísla, sino que reconfigura las interacciones con el entorno, y es precisamente eso lo que da la ventaja.
Cifras clave
- aumento de T1: más de 100 veces
- T1 en SnS2 a 5 K: 1,1 ms
- T1 del cobaltoceno libre a 5 K: 5,2 μs
- transición de orientación: 156 K
- ensanchamiento de la distancia interlaminar: 0,55 nm