Examen optique du changement entre les états singulet et triplet de paires d’électrons dans des états à charges séparées

Le changement entre les états singulet et triplet des paires d’électrons dans des états à charges séparées joue un rôle important dans la nature. Vraisemblablement, la boussole des oiseaux migrateurs peut également s’expliquer par l’influence du champ magnétique terrestre sur l’interaction magnétique entre ces deux états de spin.

Jusqu’à présent, ce processus quantique ne pouvait pas être directement suivi optiquement. UNE collaboration de recherche dirigé par les professeurs de chimie Ulrich Steiner de l’Université de Constance et Christoph Lambert de l’Université de Würzburg a maintenant présenté une méthode dans la revue scientifique La science, la technique pompe-push-pulse, qui permet pour la première fois de déterminer optiquement l’évolution temporelle des réglages singulet/triplet. Cela ouvre de nouvelles voies, par exemple dans le domaine des cellules solaires organiques, mais aussi pour les qubits dans les ordinateurs quantiques.

L’énergie lumineuse élève un électron à un niveau d’énergie plus élevé

Normalement, les électrons d’une molécule occupent par paires les orbites quantiques possibles. Ici, la propriété du moment angulaire intrinsèque des électrons, leur spin, est d’une importance décisive.

Selon le principe de Pauli de la théorie quantique, deux électrons ne peuvent courir sur le même chemin que si leur spin est antiparallèle. Si un électron tourne dans le sens des aiguilles d’une montre, l’autre doit tourner dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Dans l’état fondamental moléculaire, tous les spins électroniques sont généralement appariés.

Par excitation avec la lumière, un électron unique est libéré de la constellation du couple et élevé à un niveau énergétiquement supérieur, où il occupe seul une orbite libre. De là, il peut alors sauter sur une orbite libre dans une molécule voisine appropriée.

Le résultat est une photo-induite transfert d’électrons. Les deux électrons séparés peuvent désormais modifier leur réglage de spin indépendamment l’un de l’autre par interaction magnétique avec leur environnement, car ils ne sont plus contraints par le principe de Pauli.

Les deux électrons séparés forment une paire de radicaux

Une telle séparation de charges par transfert d’électrons photo-induit a également lieu, par exemple, dans la photosynthèse.

L’énergie de l’électron transféré ne diminue que légèrement au cours de cette étape, de sorte que la majeure partie de l’énergie électronique initialement absorbée par l’excitation lumineuse est encore conservée. Cette énergie d’excitation originelle est ainsi stockée sous forme chimique. L’état de charge séparée avec les deux électrons séparés est également appelé une paire de radicaux en chimie.

Si les spins des deux électrons séparés sont alignés en parallèle, on parle d’état triplet ; s’ils sont alignés antiparallèles, on parle d’état singulet de la paire radicale. En raison de l’évolution individuelle libre des deux spins, l’état de spin de la paire de radicaux alterne entre les états singulet et triplet. Comme énergétiquement il n’y a pas beaucoup de différence entre ces alignements de spins, ils n’ont pas pu être distingués optiquement jusqu’à présent.

La stabilisation de l’énergie de la paire de radicaux peut être obtenue par le retour de l’électron radical de la molécule acceptrice à la molécule donneuse, revenant ainsi à l’état singulet d’origine avec la libération de chaleur. Cependant, pour s’apparier avec l’électron partenaire d’origine au site donneur, son spin doit être resté opposé à celui de l’électron partenaire, ce qui n’est pas nécessairement le cas en raison d’une éventuelle réorientation de spin entre-temps. S’il a actuellement un réglage de rotation différent, il ne peut pas revenir sur son orbite d’origine, mais il peut également libérer de l’énergie en sautant vers une autre orbite inférieure, toujours libre, sur le site accepteur.

Le produit triplet ainsi formé au niveau de l’accepteur peut être distingué optiquement du produit singulet au niveau du donneur.

Paire radicale comme modèle pour les qubits et le capteur de champ magnétique des oiseaux migrateurs

La phase dans laquelle les paires de radicaux oscillent entre les états singulet et triplet est particulièrement intéressante à bien des égards.

Puisqu’il s’agit d’un mouvement cohérent contrôlé par la mécanique quantique, il peut en principe être contrôlé, par exemple, par un champ magnétique externe. De tels mouvements sont utilisés par exemple en physique pour mettre en œuvre des ordinateurs quantiques.

“Notre paire radicale peut servir de modèle pour les qubits, car ils sont présents en tant qu’éléments dans les ordinateurs quantiques, ou pour comprendre la fonction des paires radicales dans la boussole biologique des oiseaux migrateurs mentionnée au début. Pour de telles raisons, elle est intéressante pour savoir comment le spin est actuellement positionné dans ce processus », explique Ulrich Steiner, qui mène des recherches sur la photocinétique et la chimie du spin à Constance.

La technique Pump-Push permet de déterminer les réglages singulet/triplet

Dans le laboratoire de Christoph Lambert à Würzburg, avec le champ magnétique-technique de pompe-poussée dépendante une méthode expérimentale a été développée, avec laquelle il est possible pour la première fois de lire les paramètres singulet/triplet à des moments spécifiques dans une molécule donneur-accepteur spécialement synthétisée.

Tout d’abord, le transfert d’électrons de la molécule donneuse à la molécule réceptrice est initié avec une impulsion dite de pompe-laser. Cela crée l’état de séparation des charges avec un spin singulet. Les spins des électrons non appariés peuvent désormais évoluer dans le temps.

Après un certain temps, une seconde impulsion laser est appliquée. “Cette impulsion laser de poussée transfère à nouveau un électron de la molécule acceptrice à la molécule donneuse, grâce à quoi la deuxième impulsion laser force le système à prendre immédiatement la décision entre la formation d’un triplet ou d’un singulet, pour lequel la paire de radicaux prendrait normalement plusieurs oscillations de spin périodes », explique Ulrich Steiner, qui, avec son collègue russe, a étayé l’interprétation des expériences par des calculs de modèles théoriques quantiques.

De cette façon, il est possible de prendre des instantanés de l’état de spin de la paire de radicaux à différents moments et de prouver la transformation périodique de maillot et des paires de radicaux triplets.

Fourni par Universität Würzburg