論文の概要: Computational Insights into Electronic Excitations, Spin-Orbit Coupling Effects, and Spin Decoherence in Cr(IV)-based Molecular Qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2205.00375v2
• Date: Thu, 13 Oct 2022 23:16:47 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-14 23:11:21.684468
• Title: Computational Insights into Electronic Excitations, Spin-Orbit Coupling Effects, and Spin Decoherence in Cr(IV)-based Molecular Qubits
• Title（参考訳）: Cr(IV)系分子量子における電子励起、スピン軌道結合効果、スピンデコヒーレンスに関する計算学的考察
• Authors: Karolina Janicka, Aleksander L. Wysocki, and Kyungwha Park
• Abstract要約: 効率的な分子量子ビットの化学設計を支援することを目的としたCr(IV)系分子の鍵となる性質に関する知見を提供する。 一軸ゼロフィールドスプリッティング(ZFS)パラメータの符号は、すべての考慮された分子に対して負であることが判明した。 我々は、53ドルCr核スピンと13C核スピンと1H核スピンとの(超)超微細結合を定量化する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 63.18666008322476
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The great success of point defects and dopants in semiconductors for quantum information processing has invigorated a search for molecules with analogous properties. Flexibility and tunability of desired properties in a large chemical space have great advantages over solid-state systems. The properties analogous to point defects were demonstrated in Cr(IV)-based molecular family, Cr(IV)(aryl)$_4$, where the electronic spin states were optically initialized, read out, and controlled. Despite this kick-start, there is still a large room for enhancing properties crucial for molecular qubits. Here we provide computational insights into key properties of the Cr(IV)-based molecules aimed at assisting chemical design of efficient molecular qubits. Using the multireference ab-initio methods, we investigate the electronic states of Cr(IV)(aryl)$_4$ molecules with slightly different ligands, showing that the zero-phonon line energies agree with the experiment, and that the excited spin-triplet and spin-singlet states are highly sensitive to small chemical perturbations. By adding spin-orbit interaction, we find that the sign of the uniaxial zero-field splitting (ZFS) parameter is negative for all considered molecules, and discuss optically-induced spin initialization via non-radiative intersystem crossing. We quantify (super)hyperfine coupling to the $^{53}$Cr nuclear spin and to the $^{13}$C and $^1$H nuclear spins, and we discuss electron spin decoherence. We show that the splitting or broadening of the electronic spin sub-levels due to superhyperfine interaction with $^1$H nuclear spins decreases by an order of magnitude when the molecules have a substantial transverse ZFS parameter.
• Abstract（参考訳）: 量子情報処理用半導体における点欠陥とドーパントの大きな成功は、類似性を持つ分子の探索を促した。 大規模化学空間における所望特性の柔軟性とチューニング性は固体系に対して大きな利点がある。 点欠陥に類似した性質はcr(iv)系分子族cr(iv)(aryl)$_4$で示され、電子スピン状態は光学的に初期化され、読み出し、制御された。 このキックスタートにもかかわらず、分子キュービットにとって重要な特性を強化する余地は依然として大きい。 ここでは,効率の良い分子キュービットの化学設計を支援するcr(iv)系分子の重要な特性に関する計算的知見を提供する。 マルチ参照ab-initio法を用いてCr(IV)(aryl)$_4$分子の電子状態とわずかに異なる配位子の電子状態について検討し、ゼロフォノン線エネルギーが実験と一致し、励起スピントリップとスピンシンガレット状態が小さな化学摂動に非常に敏感であることを示した。 スピン軌道相互作用を加えることで、すべての考慮された分子に対して一軸ゼロフィールド分割(ZFS)パラメータの符号が負であることが分かる。 我々は、(超)超微細結合を$^{53}$Cr核スピンと$^{13}$Cと$^1$H核スピンに定量化し、電子スピンのデコヒーレンスについて議論する。 電子スピンの超超微粒子相互作用による電子スピンサブレベルの分裂あるいは拡大は、分子が実質的な逆ZFSパラメータを持つ場合、等級によって減少することを示す。

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