Protecting the √SWAP operation from general and residual errors by continuous dynamical decoupling

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Synthesis, crystal structure and magnetic properties of the helical oxalate-bridged copper(II) chain {[(CH3)(4)N](2)[Cu(C2O4)(2)] center dot H2O}(n)

The preparation, crystal structure and magnetic properties of a new oxalate-containing copper(II) chain of formula {[(CH3)(4)N](2)]Cu(C2O4)(2)] center dot H2O}(n) (1) [(CH3)(4)N+ = tetramethylammonium cation] are reported. The structure of 1 consists of anionic oxalate-bridged copper(II) chains, tetramethylammoniun cations and crystallization water molecules. Each copper(II) ion in 1 is surrounded by three oxalate ligands, one being bidentate and the other two exhibiting bis-bidenate coordination modes. Although all the tris-chelated copper(H) units from a given chain exhibit the same helicity, adjacent chains have opposite helicities and then an achiral structure results. Variable-temperature magnetic susceptibility measurements of 1 show the occurrence of a weak ferromagnetic interaction through the oxalate bridge [J = +1.14(1)cm(-1), the Hamiltonian being defined as H = -J Sigma nm S-i . S-j]. This value is analyzed and discussed in the light of available magnetostructural data for oxalate-bridged copper(H) complexes with the same out-of-plane exchange pathway. (C) 2012 Academie des sciences. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Relation between Tcc,bb and Xc,b from QCD.

We have studied, using double ratio of QCD (spectral) sum rules, the ratio between the masses of Tcc and X(3872) assuming that they are respectively described by the D−D∗ and D− ¯D∗ molecular currents. We found (within our approximation) that the masses of these two states are almost degenerate. Since the pion exchange interaction between these mesons is exactly the same, we conclude that if the observed X(3872) meson is a D ¯D∗ + c.c. molecule, then the DD∗ molecule should also exist with approximately the same mass. An extension of the analysis to the b-quark case leads to the same conclusion. We also study the SU(3) breakings for the T s Q Q /TQ Q mass ratios. Motivated by the recent Belle observation of two Zb states, we revise our determination of Xb by combining results from exponential and FESR sum rules.

Synthese und Charakterisierung von Modellen für Photoschalter und elektronische Ventile

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Synthese von organischen Photoschalter-Modellen auf der Basis von mesoionischen Pyrimidinium-olaten und Bis(thienylperfluorocyclopentenen), sowie die Darstellung substituierter Biphenyl-Biradikale als Modelle für Ventil-Systeme im Sinne eines neuen Schalter-Ventil-Konzeptes.Aufbauend auf meiner Arbeit über mesoionische Pyrimidinium-olate wurde ein henkelverbrücktes Ansa-Mesoion mit einem 16-gliedrigen Makrocyclus, sowie drei mehrcyclische mesoionische Systeme synthetisiert und auf ihr Schaltverhalten hin untersucht. Das Ansa-Mesoion stellt ein erstes einfaches Modell für Schalter-Ventil-Konjugate dar. Zur Darstellung der photochromen Bis(thienylethene) wurden die aus der Literatur bekannten Syntheserouten nach Irie als auch nach Feringa auf neue Strukturen angewandt und die Schalteigenschaften der Bis(thienylethene) optisch nachgewiesen. Die Anordnung der reaktiven Endgruppen in den synthetisierten Verbindungen schafft ideale Voraussetzungen für eine große konformelle Änderung, welche im Schalter-Ventil-Konjugat erwünscht ist. Durch vielfaches Durchlaufen des Schaltprozesses (> 100 Cyclen) konnte die hohe Reversibilität des Schaltvorganges belegt werden.Als Ventilmodelle wurden mit stabilen Nitroxidradikalen substituierte Biphenyle verwendet, deren primärer konformativer Freiheitsgrad durch die Drehung um die Phenyl-Phenyl-Einfachbindung gegeben ist. Experimentelle ESR-Daten und deren Vergleich mit Spektrensimulationen bestätigten die Abhängigkeit der Austauschwechselwirkung J zwischen den Radikalen vom Biphenyldiederwinkel.

Polyelectrolytes and their counterions studied by EPR spectroscopy

In this thesis methods of EPR spectroscopy were used to investigate polyion-counterion interactions in polyelectrolyte solutions. The fact that EPR techniques are local methods is exploited and by employing spin-carrying (i.e., EPR-active) probe ions it is possible to examine polyelectrolytes from the counterions’ point of view. It was possible to gain insight into i) the dynamics and local geometry of counterion attachment, ii) conformations and dynamics of local segments of the polyion in an indirect manner, and iii) the spatial distribution of spin probe ions that surround polyions in solution. Analysis of CW EPR spectra of dianion nitroxide spin probe Fremy’s salt (FS, potassium nitrosodisulfonate) in solutions of cationic PDADMAC polyelectrolyte revealed that FS ions and PDADMAC form transient ion pairs with a lifetime of less than 1 ns. This effect was termed as dynamic electrostatic attachment (DEA). By spectral simulation taking into account the rotational dynamics as a uniaxial Brownian reorientation, also the geometry of the attached state could be characterized. By variation of solvent, the effect of solvent viscosity and permittivity were investigated and indirect information of the polyelectrolyte chain motion was obtained. Furthermore, analysis of CW EPR data also indicates that in mixtures of organic solvent/water PDADMAC chains are preferentially solvated by the organic solvent molecules, while in purely aqueous mixtures the PDADMAC chain segments were found in different conformations depending on the concentration ratio R of FS counterions to PDADMAC repeat units.Broadenings in CW EPR spectra of FS ions were assigned to spin-exchange interaction and hence contain information on the local concentrations and distributions of the counterions. From analysis of these broadenings in terms of a modified cylindrical cell approach of polyelectrolyte theory, radial distribution functions for the FS ions in the different solvents were obtained. This approach breaks down in water above a threshold value of R, which again indicates that PDADMAC chain conformations are altered as a function of R. Double electron-electron resonance (DEER) measurements of FS ions were carried out to probe the distribution of attached counterions along polyelectrolyte chains. For a significant fraction of FS spin probes in solution with a rigid-rod model polyelectrolyte containing charged Ru2+-centers, a bimodal distance distribution was found that nicely reproduced the spacings of direct and next-neighbor Ru2+-centers along the polyelectrolyte: 2.35 and 4.7 nm. For the system of FS/PDADMAC, DEER data could be simulated by assuming a two-state distribution of spin probes, one state corresponding to a homogeneous (3-dimensional) distribution of spin probes in the polyelectrolyte bulk and the other to a linear (1-dimensional) distribution of spin probes that are electrostatically condensed along locally extended PDADMAC chain segments. From this analysis it is suggested that the PDADMAC chains form locally elongated structures of a size of at least ~5 nm.

A study of nitronyl and imino nitroxide radicals attached to heterocyclic cores

Stabile organische Radikale mit zusätzlichen Funktionalitäten wie Donor/Akzepotor Eigenschaften und Ligandeneignung für Übergangsmetallkomplexierung repräsentieren eine synthetische Herausforderung beim Streben nach der Konstruktion hochdimensionaler heterospin Strukturen. In diesem Hinblick wurden acht neue Hochspinbiradikal-Moleküle zusammen mit ihren Monoradikal- Pendants in dieser Arbeit hergestellt. Die Wahl der Liganden als organische Distanzhalter der Radikaleinheiten wurde auf stickstoffhaltige Heterozyklen (Pyridin und Pyrazol) gelenkt. Diese wurden weiterhin mit den stabilen Spinträgern Nitronylnitroxid- (NN) und Iminonitroxidfragmenten (IN) dekoriert. Ihre Synthese beinhaltete mehrstufige Umsetzungen (Brominierung, Iodierung, N- und Carbaldehyd Schutzgruppen, Stille-Kupplung, Grignard Reaktion, etc.) um die Mono- und Dicarbaldehyd-heterocyclenderivate als Schlüsselvorläufer der Radikaleinheiten zu gewinnen. Die Carbaldehyd-Zwischenstufen wurden Kondensationsreaktionen mit 2,3-Dimethyl-2,3-bis(hydroxylamino)-butan unterworfen (üblicherweise in Dioxan unter Argon für ~ 7 Tage), gefolgt von der Oxidation der Bis-hydroxylimidazolidin-Vorläufer unter Phasentransferkatalyse (NaIO4/H2O). Die Radikalmoleküle wurden mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht (FT/IR, UV/Vis/ EPR etc.) und ihre Einkristalle mit Röntgenstrahlbeugung gemessen. Die UV/VIS- Lösungsspektren zeigten in einem breiten Bereich verschiedener Lösungsmittelpolaritäten keine spezifische Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Radikaleinheit, während ihre Stabilitäten in protischen Lösunsgmitteln wie MeOH stark abnahmen. Als Pulver konnten sie jedoch im Kühlschrank an der Luft für eine Jahr gelagert werden, ohne sich zu zersetzen. Die spektroskopischen Fingerabdrücke der Radikale wurden eindeutig identifiziert and erschienen stark abhängig vom Typ des pi-Ringsystems an das die Spinträger gekoppelt wurden. Basierend auf diesen Informationen wurde ein schnelles Protokoll etabliert, das eine direkte Zuordnung der Art der Radikale und ihrer Anzahl ermöglicht, sowie ihre Reinheit und Verunreinigungen zu definieren. In Lösung bestätigte die Analyse der EPR Spektren der Biradikale die starke Austauschwechselwirkung J zwischen den Radikalfragmenten über die Kopplungseinheiten (J >> an, an ist die Stickstoffhyperfeinkopplungskonstante). Dies wurde weiter unterstützt durch die Beobachtungen in gefrorener Lösung über die Nullfeldaufspaltungen und verbotenen Halbfeldübergänge (Δms = 2). Die Temperaturabhängigkeiten der Δms = 2 - EPR Signale wurden bis herunter auf 4 K gemessen und das exakte Vorzeichen und die Größe von J ermittelt. Diese Arbeit unterstreicht die Möglichkeit über synthetische Chemie eine Feineinstellung der „through bond“ Austauschwechselwirkung zwischen verwandten pi- und sigma- konjugierten Heterozyklen zu erreichen, in denen der S = 1 Grundzustand angenommen wird. Zusätzlich zeigten diese Resultate, dass die Übertragung der Spinpolarisation durch verschiedene Koppler sehr effektiv war.

Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metall-Wechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums im Photosystem II

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zweikernige Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metallwechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums des Photo¬systems II synthetisiert und eine magneto-strukturelle Korrelation dieser Komplexe erstellt. Als Liganden wurden diverse sechs- bis siebenzähnige Chelatliganden verwendet, welche über zwei Koordinationstaschen und eine verbrückende Phenolatgruppe verfügen. Zwei daran gebundene Manganionen liegen in einer wohl definierten Umgebung nicht koordinativ gesättigt vor. An die freien Koordinationsstellen können weitere ein bis zwei Brückenliganden binden, bei denen es sich in dieser Arbeit hauptsächlich um Carboxylate handelt. Durch die Verwendung eines diamagnetischen Brückenliganden konnte die magnetische Spin-Spin-Austauschwechselwirkung zwischen den spintragenden Manganionen über die verbrücken¬de Phenolatgruppe bestimmt werden. Komplexe, welche über Manganionen in den gleichen Oxidationsstufen, aber über unterschiedliche Carboxylatbrückenliganden verfügen, weisen ähnliche magnetische Austauschwechselwirkungen zwischen den Metallzentren auf. Diese Beobachtung konnte durch eine strukturelle Ähnlichkeit dieser Komplexe erklärt werden. Mittels Aufsummieren der Bindungslängen der verbrückenden Phenolateinheit zu beiden Zentralionen kann innerhalb dieser Komplexe jeweils die Länge des Wechselwirkungspfades erhalten werden, welcher die magnetische Austauschwechselwirkung maßgeblich beein¬flusst. Je länger der Wechselwirkungspfad ist, desto kleiner ist die Austausch¬wechsel¬wirkung. Durch Austausch der diamagnetischen Carboxylate durch paramagnetische benzoat¬substituierte Nitronyl Nitroxid Radikale wurden den Komplexen ein bis zwei weitere Spinzentren hinzugefügt, welche mit den Spins der Zentralionen wechselwirken können. Simulationen der magnetischen Suszeptibilitätsmessungen liefern Werte für die magneti¬schen Austausch¬wechselwirkungen zwischen den Nitronyl Nitroxid Radikalen und den Manganionen, die in allen Fällen schwach ferromagnetisch zwischen 0 und 4,7 cm-1 sind. In einer Auftragung dieser Austauschwechselwirkungen gegen die Mangan-Carboxylat-Bindungs¬längen von strukturell charakterisierten äquivalenten acetatverbrückten Komplexen, kann eine lineare Abhängigkeit gezeigt werden.

Vielkanal-Spinpolarimeter für energie- und winkeldispersive Photoemissionsmessungen

Spinpolarisationsmessungen an freien Elektronen sind seit ihrer ersten Verwirklichung durch Mott anspruchsvoll geblieben. Die relevante Größe eines Spinpolarimeters ist seine Gütefunktion, FoM = S^2*I/I_0, mit der Asymmetriefunktion S und dem Verhältnis aus Streu- und Primärintensität I/I_0. Alle bisherigen Geräte basieren auf einer einkanaligen Streuung (Spin-Bahn- oder Austauschwechselwirkung), die durch FoM = 10^(-4) charakterisiert ist. Moderne Halbkugelanalysatoren ermöglichen hingegen eine effiziente Vielkanaldetektion der spinintegralen Intensität mit mehr als 10^4 simultan erfassten Datenpunkten. Im Vergleich zwischen spinaufgelöster und spinintegraler Elektronenspektroskopie findet man somit einen Effizienzunterschied von 8 Größenordnungen.rnDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen Verfahrens zur Effizienzsteigerung in der spinaufgelösten Elektronenspektroskopie unter Ausnutzung von Vielkanaldetektion. Der Spindetektor wurde in eine µ-metallgeschirmte UHV-Kammer integriert und hinter einem konventionellen Halbkugelanalysator angebracht. Durch elektronenoptische Simulationen wurde die Geometrie des elektrostatischen Linsensystems festgelegt. Das Grundkonzept basiert auf der k(senkrecht)-erhaltenden elastischen Streuung des (0,0)-Spekularstrahls an einem W(100)- Streukristall unter einem Einfallswinkel von 45°. Es konnte gezeigt werden, dass etwarn960 Datenpunkte (15 Energie- und 64 Winkelpunkte) in einem Energiebereich vonrnetwa 3 eV simultan auf einen Delayline-Detektor abgebildet werden können. Dies führt zu einer zweidimensionalen Gütefunktion von FoM_2D = 1,7. Verglichen mit konventionellen Spindetektoren ist der neuartige Ansatz somit durch einen Effizienzgewinn von 4 Größenordnungen gekennzeichnet.rnDurch Messungen einer Fe/MgO(100) und O p(1x1)/Fe(100)-Probe konnte die Funktionstüchtigkeit des neuen Spinpolarimeters nachgewiesen werden, indem die aus der Literatur bekannten typischen UPS-Ergebnisse mit stark verkürzter Messzeit reproduziert wurden. Durch die hohe Effizienz ist es möglich, besonders reaktive Oberflächen in kurzer Zeit zu vermessen. Dieser Vorteil wurde bereits für eine erste grundlagenorientierte Anwendung genutzt: Als Test für die Gültigkeit von Bandstrukturrechnungen für die Heusler-Verbindung Co_2MnGa, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden wurde.rnMit dem Vielkanal-Spinfilter wurde die Grundlage zu einem um Größenordnungen verbesserten Messverfahren der Elektronenspin-Polarisation geschaffen und damit der Zugang zu Experimenten eröffnet, die mit den bisherigen einkanaligen Detektoren nicht möglich sind.rn

Synthetic strategies of new spin-labelled supramolecular systems

Molecular recognition and self-assembly represent fundamental issues for the construction of supramolecular systems, structures in which the components are held together through non-covalent interactions. The study of host-guest complexes and mechanical interlocked molecules, important examples in this field, is necessary in order to characterize self-assembly processes, achieve more control over the molecular organization and develop sophisticated structures by using properly designed building blocks. The introduction of paramagnetic species, or spin labelling, represents an attractive opportunity that allows their detection and characterization by the Electron Spin Resonance spectroscopy, a valuable technique that provides additional information to those obtained by traditional methods. In this Thesis, recent progresses in the design and the synthesis of new paramagnetic host-guest complexes and rotaxanes characterized by the presence of nitroxide radicals and their investigation by ESR spectroscopy are reported. In Chapter 1 a brief overview of the principal concepts of supramolecular chemistry, the spin labelling approach and the development of ESR methods applied to paramagnetic systems are described. Chapter 2 and 3 are focused on the introduction of radicals in macrocycles as Cucurbiturils and Pillar[n]arenes, due to the interesting binding properties and the potential employment in rotaxanes, in order to investigate their structures and recognition properties. Chapter 4 deals with one of the most studied mechanical interlocked molecules, the bistable [2]rotaxane reported by Stoddart and Heath based on the ciclobis (paraquat-p-phenylene) CBPQT4+, that represents a well known example of molecular switch driven by external stimuli. The spin labelling of analogous architectures allows the monitoring by ESR spectroscopy of the switch mechanism involving the ring compound by tuning the spin exchange interaction. Finally, Chapter 5 contains the experimental procedures used for the synthesis of some of the compounds described in Chapter 2-4.

Chiral Templating Activity of Tris(bipyridine)ruthenium(II) Cation in the Design of Three-Dimensional (3D) Optically Active Oxalate-Bridged {[Ru(bpy) 3 ][Cu 2 x Ni 2(1 - x ) (C 2 O 4 ) 3 ]} n (0 ≤ x ≤ 1; bpy = 2,2‘-bipyridine): Structural, Optical, and Magnetic Studies

Three-dimensional oxalate-based {[Ru(bpy)3][Cu2xNi2(1-x)(ox)3]}n (0≤ x ≤ 1, ox = C2O42-, bpy = 2,2‘bipyridine) were synthesized. The structure was determined for x = 1 by X-ray diffraction on single crystal. The compound crystallizes in the cubic space group P4132. It shows a three-dimensional 10-gon 3-connected (10,3) anionic network where copper(II) has an unusual tris(bischelated) environment. X-ray powder diffraction patterns and their Rietveld refinement show that all the compounds along the series are isostructural and single-phased. According to X-ray absorption spectroscopy, copper(II) and nickel(II) have an octahedral environment, respectively elongated and trigonally distorted. As shown by natural circular dichroism, the optically active forms of {[Ru(bpy)3][CuxNi2(1-x)(ox)3]}n are obtained starting from resolved Δ- or Λ-[Ru(bpy)3]2+. The Curie−Weiss temperatures range between −55 (x = 1) and −150 K (x = 0). The antiferromagnetic exchange interaction thus decreases when the copper contents increases in agreement with the crystallographic structure of the compounds and the electronic structure of the metal ions. At low temperature, the compounds exhibit complex long-range ordered magnetic behavior.

Spin splitting in a polarized quasi-two-dimensional exciton gas

We have observed a large spin splitting between "spin" +1 and -1 heavy-hole excitons, having unbalanced populations, in undoped GaAs/AlAs quantum wells in the absence of any external magnetic field. Time-resolved photoluminescence spectroscopy, under excitation with circularly polarized light, reveals that, for high excitonic density and short times after the pulsed excitation, the emission from majority excitons lies above that of minority ones. The amount of the splitting, which can be as large as 50% of the binding energy, increases with excitonic density and presents a time evolution closely connected with the degree of polarization of the luminescence. Our results are interpreted on the light of a recently developed model, which shows that, while intraexcitonic exchange interaction is responsible for the spin relaxation processes, exciton-exciton interaction produces a breaking of the spin degeneracy in two-dimensional semiconductors.

Spin separation in digital ferromagnetic heterostructures

In a study of the ferromagnetic phase of a multilayer digital ferromagnetic semiconductor in the mean-field and effective-mass approximations, we find the exchange interaction to have the dominant energy scale of the problem, effectively controlling the spatial distribution of the carrier spins in the digital ferromagnetic heterostructures. In the ferromagnetic phase, the majority-spin and minority-spin carriers tend to be in different regions of the space (spin separation). Hence, the charge distribution of carriers also changes noticeably from the ferromagnetic to the paramagnetic phase. An example of a design to exploit these phenomena is given here.

Single-exciton spectroscopy of semimagnetic quantum dots

A photoexcited II-VI semiconductor quantum dots doped with a few Mn spins is considered. The effects of spin-exciton interactions and the resulting multispin correlations on the photoluminescence are calculated by numerical diagonalization of the Hamiltonian, including exchange interaction between electrons, holes, and Mn spins, as well as spin-orbit interaction. The results provide a unified description of recent experiments on the photoluminesnce of dots with one and many Mn atoms as well as optically induced ferromagnetism in semimagnetic quantum dots.

Coherently photoinduced ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors

Ferromagnetism is predicted in undoped diluted magnetic semiconductors illuminated by intense sub-band-gap laser radiation . The mechanism for photoinduced ferromagnetism is coherence between conduction and valence bands induced by the light which leads to an optical exchange interaction. The ferromagnetic critical temperature TC depends both on the properties of the material and on the frequency and intensity of the laser and could be above 1K.

The emergence of classical behaviour in magnetic adatoms

A wide class of nanomagnets shows striking quantum behaviour, known as quantum spin tunnelling (QST): instead of two degenerate ground states with opposite magnetizations, a bonding-antibonding pair forms, resulting in a splitting of the ground-state doublet with wave functions linear combination of two classically opposite magnetic states, leading to the quenching of their magnetic moment. Here we study how QST is destroyed and classical behaviour emerges in the case of magnetic adatoms, where, contrary to larger nanomagnets, the QST splitting is in some instances bigger than temperature and broadening. We analyze two different mechanisms for the renormalization of the QST splitting: Heisenberg exchange between different atoms, and Kondo exchange interaction with the substrate electrons. Sufficiently strong spin-substrate and spin-spin coupling renormalize the QST splitting to zero allowing the environmental decoherence to eliminate superpositions between classical states, leading to the emergence of spontaneous magnetization. Importantly, we extract the strength of the Kondo exchange for various experiments on individual adatoms and construct a phase diagram for the classical to quantum transition.