Singlet Fission - a Platform for Transformative Technologies
- Reference number
- FFL24-0027
- Project leader
- Gray, Victor
- Start and end dates
- 250801-300731
- Amount granted
- 15 000 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The goal of this research is to establish a new chemistry-based technology platform centered on singlet fission (SF) for Quantum Information Science (QIS) and multielectron photocatalysis. Through a combination of organic synthesis and advanced spectroscopic characterization, I will develop and investigate novel SF materials for applications beyond solar cells. The main objectives are to: i) Develop design rules for SF materials for QIS and photocatalysis applications. ii) Practicaly apply SF to applications of high societally and industrail value. Specifically SF will be applied to the quantum sensing of of biologically relevant cations, to establoish its relevance for medicine and pharmacutics. In photocatalysis SF will drive multielectron reactions, such as hydrogen evolution which is of great interest for solar-fuels generation. The work is structured into three main packages: design and synthesis of new materials, spectroscopic characterization to understand photophysical and spin dynamics, and proof-of-concept applications. The expected scientific outcomes include new insights into SF molecular design, structure-activity relationships, and SF's role as a technology platform for practical applications in quantum sensing and photocatalysis. The project will also provide a handful of experts on quantum information science with a strong chemical background, filling one underrepresented area in QIS crucial for fulfilling Sweden’s quantum agenda.
Popular science description
Fotokatalys, där ljus används för att driva kemiska reaktioner, kan bidra till att producera hållbara bränslen som vätgas eller tillverka viktiga molekyler som läkemedel. Fotokatalysatorer utnyttjar ljus för att excitera elektroner, men att effektivt utnyttja svaga ljuskällor som solen är en utmaning. Här kommer en fotofysisk process som heter singlet fission (SF) in, en process där en foton kan generera två exciterade elektroner, vilket gör SF lovande för nya fotokatalytiska tillämpningar. Forskning på SF har fokuserat på applikation innom solceller. Men processen bildar ett kvanttillstånd som består av ett sammanflätat triplettpar som existerar vid rumstemperatur, vilket gör att det också kan tillämpas i kvantinformationsvetenskap. Kvantinformationsvetenskap (KIV) utnyttjar kvantmekanik för att skapa kraftfull beräkning, säker kommunikation och känslig sensorteknik. Men eftersom kvanttillstånd är ömtåliga och svåra att bibehålla vid rumstemperatur behövs nya material och metoder som kan skapa stabila och kontrollerbara kvanttillstånd för att möjliggöra utveckling i större skala. Majoriteten av SF forskning har fokuserats på tillämpning i solceller, det är därför viktigt att förstå hur SF kan optimeras m.a.p. kvantinformationsapplikationer och fotokatalys, applikationer som ställer andra krav. I detta projekt undersöker jag hur SF, kan förbättra både traditionell fotokatalys och möjliggöra nya reaktioner, samt hur SF bäst kan användas för KIV. Målet är att etablera en teknikplattform kring SF för både KIV och fotokatalys genom att utveckla nya material och metoder. Detta innefattar att skapa designprinciper för SF-material och att praktiskt tillämpa dem för tillämpningar med hög samhällelig och industriell betydelse, som kvantsensorer för medicin och multielektronreaktioner för hållbar energiproduktion. Arbetet fokuserar på materialdesign, spektroskopisk analys och proof-of-concept-tester, med förväntade resultat som nya insikter i SFs potential för KIV och fotokatalys, samt utbildning av experter för att stödja Sveriges kvantagenda.