Biomimetic engineering spin relaxation in flavin radical pairs for singlet–triplet qubits

Анотація

Неадіабатичну спінову релаксацію у флавінових спінкорельованих радикальних парах (SCRP), яка по суті є процесом spin flip-flop, розглянуто в контексті керування часами когерентності з метою створення біоміметичних молекулярних спінових кубітів — парамагнітних систем, що характеризуються тривалими часами спінової когерентності. Їхніми молекулярними аналогами в електронно-спінових системах є кубіти на основі одномолекулярних магнітів (SMM) та стабільних вільних радикалів, у яких активний спін забезпечується неспареним електроном у парамагнітних молекулах координаційних блок-металевих комплексів (CMCs) і стабільних вільних радикалів відповідно. Біологічні кофактори-прототипи, такі як CMCs (на основі Ln3+, гем b, кобаламін) і флавіни (рибофлавін, флавінмононуклеотид, флавінаденіндинуклеотид), використовують неспарені спіни центрального атома металу та вільних радикалів флавінового семіхінону для здійснення життєво важливих процесів у живих системах. Крім того, стабільні вільні радикали флавінового семіхінону відкривають шлях до створення оптично ініційованих синглет-триплетних кубітів із суперпозицією спінових станів 0/1. Це зумовлено їхнім об’єднанням у радикальні пари через спінові кореляції, що виникають унаслідок спін-селективного електронного транспорту, індукованого синім світлом. Штучно сконструйовані CMCs, які виявляють як квантове тунелювання спіну, так і магнітну незворотність нижче від температури блокування — характерної ознаки SMM, — досліджують уже впродовж трьох десятиліть; нині їх уже інтегровано в металоорганічні каркаси та інші каркасні структури. Довгоживучі флавінові SCRPs привернули увагу як безметалеві спінові матеріали для кубітів відносно недавно завдяки прагненню біоміметично відтворити їхню виняткову здатність до квантової світлочутливості та реагування на напрямок слабкого магнітного поля. Цю властивість пов’язують зі спін-селективною рекомбінацією радикальних пар через неадіабатичну інтерконверсію, оскільки електронні спіни взаємодіють із геофізичним і локальними магнітними полями, що узгоджується з механізмом радикальних пар. За такого підходу час життя флавінової SCRP за кімнатної температури має перевищувати 700 нс, щоб відповідати ларморівській частоті магнітного поля Землі. Спінову динаміку, що лежить в основі фотоіндукованого утворення, інтерконверсії та розділення SCRP, широко досліджують на межі квантової біології, спінової хімії та фізики. Домінантну роль складних безвипромінювальних процесів міжсистемного переходу вже встановлено, проте механізми, що лежать в їх основі, досі залишаються предметом активної дискусії. У цій роботі розглянуто спінову релаксацію, яка обмежує час життя корельованого синглет-триплетного стану та спричиняє дефазування у флавіновій SCRP, з урахуванням численних взаємодій і впливу оточення, що істотно позначаються на зворотному міжсистемному переході за наявності інтерференції слабких магнітних полів. Обґрунтовано набір прогностичних критеріїв проєктування та вхідних параметрів, які враховують спінову релаксацію, для інженерії біоміметичних кубітів на основі радикальних пар, а також проілюстровано перспективні архітектури флавінів. Проривна поява кубіта на основі флуоресцентного білка для квантового біосенсингу додатково стимулювала розвиток цього напряму.