Scalable Approach for Grafting Qubit Candidates onto The Surface of MOF-808 Framework

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The development of quantum bits (qubits) is crucial for the progress of quantum technologies. Among various approaches, the qubits based on paramagnetic centers have decent advantages, including their diversity and possibilities of regular ordering, for example, within the structure of metal-organic frameworks (MOFs). In the present work a simple and scalable approach to obtain qubit candidates based on stable organic radical 3-carboxy-proxyl and MOF-808 framework has been demonstrated. Investigation of the obtained compounds with different radical amounts using electron paramagnetic resonance (EPR) demonstrates the presence of two fractions of radicals, which is supported by simulations. Sufficiently long phase memory time at room temperature for the radicals adsorbed into MOF (0.39 μs), as well as the observed Rabi nutations, allow considering this material as a platform for qubits design. The developed approach is capable of incorporating various amounts of paramagnetic centers into the MOF structure and can be employed to obtain other spin qubit candidates.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. S. Tomilov

International Tomography Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Email: mfedin@tomo.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

A. A. Yazikova

International Tomography Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Email: mfedin@tomo.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

A. R. Melnikov

International Tomography Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: mfedin@tomo.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk

K. A. Smirnova

International Tomography Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: mfedin@tomo.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk

A. S. Poryvaev

International Tomography Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: mfedin@tomo.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk

M. V. Fedin

International Tomography Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Author for correspondence.
Email: mfedin@tomo.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

References

  1. DiVincenzo D.P. // Fortschritte Der Phys. 2000. V. 48. № 9-11. P. 771.
  2. Ladd T. D., Jelezko F., Laflamme R. et al. // Nature. 2010. V. 464. № 7285. P. 45.
  3. Nakazawa S., Nishida S., Ise T. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2012. V. 51. № 39. P. 9860.
  4. Dolde F., Fedder H., Doherty M.W. et al. // Nat. Phys. 2011. V. 7. № 6. P. 459.
  5. Atzori M., Sessoli R. // J. Am. Chem. Soc. 2019. V. 141. № 29. P. 11339.
  6. Nielsen M.A., Chuang I.L. Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary. Cambridge Univ. Press, 2010.
  7. Knill E., Laflamme R., Milburn G.J. // Nature. 2001. V. 409. № 6816. P. 46.
  8. Bruzewicz C.D., Chiaverini J., McConnell R. et al. // Appl. Phys. Rev. 2019. V. 6. № 2. P. 021314.
  9. Benhelm J., Kirchmair G., Roos C.F. et al. // Nat. Phys. 2008. V. 4. № 6. P. 463.
  10. Devoret M.H., Schoelkopf R.J. // Science. 2013. V. 339. № 6124. P. 1169.
  11. Siddiqi I. // Nat. Rev. Mater. 2021. V. 6. № 10. P. 875.
  12. Kjaergaard M., Schwartz M.E., Braumüller J. et al. // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 2020. V. 11. № 1. P. 369.
  13. Trauzettel B., Bulaev D.V., Loss D. et al. // Nat. Phys. 2007. V. 3. № 3. P. 192.
  14. Doherty M.W., Manson N.B., Delaney P. et al. // Phys. Rep. 2013. V. 528. № 1. P. 1.
  15. Togan E., Chu Y., Trifonov A. S. et al. // Nature. 2010. V. 466. № 7307. P. 730.
  16. Hanson R., Awschalom D.D. // Nature. 2008. V. 453. № 7198. P. 1043.
  17. Chatterjee A., Stevenson P., De Franceschi S. et al. // Nature Rev. Phys. 2021. V. 3. № 3. P. 157.
  18. Yamabayashi T., Atzori M., Tesi L., et al. // J. Am. Chem. Soc. 2018. V. 140. № 38. P. 12090.
  19. Fataftah M.S., Bayliss S.L., Laorenza D.W. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2020. V. 142. № 48. P. 20400.
  20. Starikova A.A., Starikov A.G., Minkin V.I. // Russ. J. Coord. Chem. 2017. V. 43. № 4. P. 197.
  21. Zadrozny J.M., Gallagher A.T., Harris T.D. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2017. V. 139. № 20. P. 7089.
  22. Stamp P.C.E., Gaita-Ariño A. // J. Mater. Chem. 2009. V. 19. № 12. P. 1718.
  23. Gaita-Ariño A., Luis F., Hill S. et al. // Nat. Chem. 2019. V. 11. № 4. P. 301.
  24. Poryvaev A.S., Gjuzi E., Polyukhov D.M. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2021. V. 60. № 16. P. 8683.
  25. Oanta A.K., Collins K.A., Evans A.M. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2023. V. 145. № 1. P. 689.
  26. Wakizaka M., Gupta S., Wan Q. et al. // Chem. Eur. J. 2023. V. 30. № 12. Art. e202304202.
  27. Yu C.J., Krzyaniak M.D., Fataftah M.S., et al. // Chem. Sci. 2019. V. 10. № 6. P. 1702.
  28. Sun L. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2022. V. 144. № 41. P. 19008.
  29. Альтшулер С.А., Козырев Б.М. // Успехи физ. наук. 1957. V. 63. № 11. P. 533.
  30. Weil J.A., Bolton J.R. Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications. Wiley, 2007.
  31. Schweiger A., Jeschke G. Principles of Pulse Electron Paramagnetic Resonance. Oxford University Press, 2001.
  32. Zadrozny J.M., Niklas J., Poluektov O.G. et al. // ACS Cent Sci. 2015. V. 1. № 9. P. 488.
  33. Schäfter D., Wischnat J., Tesi L. et al. // Adv. Mater. 2023. V. 35. № 38. P. 2302114.
  34. Liu X. et al. // Chem. Mater. 2021. V. 33. № 4. P. 1444.
  35. Yan X., Wang K., Xu X. et al. // Inorg. Chem. 2018. V. 57. № 14. P. 8033.
  36. Furukawa H., Gándara F., Zhang Y.-B. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2014. V. 136. № 11. P. 4369.
  37. Paletta J.T., Pink M., Foley B. et al. // Org. Lett. 2012. V. 14. № 20. P. 5322.
  38. Stoll S., Schweiger A. // J. Magn. Res. 2006. V. 178. № 1. P. 42.
  39. Jiang J., Gándara F., Zhang Y.-B. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2014. V. 136. № 37. P. 12844.
  40. Peng Y., Huang H., Zhang Y. et al. // Nat. Commun. 2018. V. 9. № 1. P. 187.
  41. Li J., Huang H., Xue W. et al. // Nat. Catal. 2021. V. 4. № 8. P. 719.
  42. Lyu H., Chen O.I.-F., Hanikel N. et al. // J. Am, Chem. Soc. 2022. V. 144. № 5. P. 2387.
  43. Kuzhelev A.A., Strizhakov R.K., Krumkacheva O.A. et al. // J. Magn. Res. 2016. V. 266. P. 1.
  44. Chernova D.A., Vorobiev A.K. // J. Polym. Sci. B. 2009. V. 47. № 1. P. 107.
  45. Rajca A., Kathirvelu V., Roy S.K. et al. // Chem. Eur. J. 2010. V. 16. № 19. P. 5778.
  46. Ivanov M.Yu., Prikhod′ko S.A., Bakulina O.D. et al. // Molecules. 2021. V. 26. № 19.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of the modification of MOF-808 with the radical 3-carboxy-2,2,5,5,5-tetramethylpyrrolidine 1-oxyl (c-Pr). Zirconium clusters are shown in turquoise polyhedra, oxygen atoms in red, carbon atoms in gray, and nitrogen in lilac (a); powder X-ray diffraction data for sample MOF-808 compared to the theoretically modeled diffractogram (CCDC No. 1871192) (b); N2 sorption isotherm for sample MOF-808 (c).

Download (365KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Steady-state EPR spectra recorded at room temperature for vacuum-quenched c-Pr@MOF-808_vz (a); c-Pr@MOF-808_cz (b); c-Pr@MOF-808_nz (c) samples; simulations for all samples are shown as red dashed lines. Modeling parameters: 1) g1 = [2.0082, 2.0054, 2.0020]; A1 = [4, 4, 34.8] mTl; 2) g2 = [2.0082, 2.0054, 2.0020]; A2 = [7, 7, 41.550] mTl.

Download (140KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. EPR spectrum, detected by free induction decay, for the c-Pr@MOF-808_nz sample measured at room temperature; the asterisk indicates the field position at which T2 was measured. The simulation is shown by the red dashed line.

Download (57KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Temperature dependence of the relaxation times T1 and T2 for the c-Pr@MOF-808_nz sample.

Download (103KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Rabi oscillations measured for c-Pr@MOF-808_nz at room temperature and nutation pulse power in the range of 3-21 dB (attenuation values are given); the pulse train used is shown at top (a); Fourier transform for the spectra from a (b); Rabi frequency dependence of Rabi frequency on B1 in relative units (normalized to the lowest value) (c).

Download (312KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».