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部分氘化玻璃基质中电子自旋退相干的机制。

Mechanism of Electron Spin Decoherence in a Partially Deuterated Glassy Matrix.

机构信息

Department of Chemistry, University of Washington, Seattle, Washington 98195, United States.

出版信息

J Phys Chem Lett. 2022 Jun 23;13(24):5474-5479. doi: 10.1021/acs.jpclett.2c00939. Epub 2022 Jun 10.

Abstract

Long electron spin coherence lifetimes are essential for applications in quantum information science and electron paramagnetic resonance, for instance, for nanoscale distance measurements in biomolecular systems using double electron-electron resonance. We experimentally investigate the decoherence dynamics under the Hahn echo sequence of the organic radical -TEMPO in a variably deuterated frozen water:glycerol matrix. The coherence time (phase memory time) scales with proton concentration as [H]. For selectively deuterated matrices, decoherence is accelerated in the presence of proton clustering, that is, substantial short-range density in the proton-proton radial distribution functions (<3 Å). Simulations using molecular dynamics and many-body spin quantum dynamics show excellent agreement with experiment and show that geminal proton pairs such as CH and OH groups are major decoherence drivers. This provides a predictive tool for designing molecular systems with long electron spin coherence times.

摘要

长电子自旋相干寿命对于量子信息科学和电子顺磁共振等应用至关重要,例如,在使用双电子电子共振的生物分子系统中进行纳米级距离测量。我们在可变氘化冷冻水:甘油基质中通过实验研究了有机自由基-TEMPO 的哈恩回波序列下的退相干动力学。相干时间(相位记忆时间)与质子浓度呈比例关系为[H]。对于选择性氘化的基质,在质子聚集的情况下退相干会加速,即质子-质子径向分布函数中的短程密度很大(<3 Å)。使用分子动力学和多体自旋量子动力学的模拟与实验结果非常吻合,并表明类似 CH 和 OH 基团的双质子对是主要的退相干驱动因素。这为设计具有长电子自旋相干时间的分子系统提供了一种预测工具。

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