Naukowcy opracowują nowy sposób manipulowania stanami kwantowymi

Naukowcy z ETH Zurich pokazali, w jaki sposób prądy spolaryzowane spinowo mogą precyzyjnie kontrolować stany kwantowe w spinach elektronów, oferując nową metodę manipulowania bitami kwantowymi w zaawansowanych obliczeniach.

Elektrony posiadają wewnętrzny moment pędu zwany spinem, który pozwala im ustawić się w linii z polem magnetycznym, podobnie jak działa igła kompasu. Oprócz ładunku elektrycznego, który wpływa na ich zachowanie w obwodach elektronicznych, spin elektronów jest coraz częściej wykorzystywany do przechowywania i przetwarzania danych.

Już teraz można kupić elementy pamięci MRAM (magnetyczne pamięci o dostępie swobodnym), w których informacja przechowywana jest w bardzo małych, ale wciąż klasycznych magnesach – czyli zawierających bardzo wiele spinów elektronów. Pamięci MRAM opierają się na prądach elektronów o spinach ustawionych równolegle, które mogą zmienić namagnesowanie w określonym punkcie materiału.

Pietro Gambardella i jego współpracownicy z ETH Zurich pokazują teraz, że takie prądy spolaryzowane spinowo można również wykorzystać do kontrolowania stanów kwantowych spinów pojedynczych elektronów. Ich wyniki, które właśnie opublikowano w czasopiśmie naukowym Naukamożna w przyszłości wykorzystać w różnych technologiach, na przykład do kontroli stanów kwantowych bitów kwantowych (kubitów).

Prądy tunelowe w pojedynczych cząsteczkach

„Tradycyjnie spinami elektronów manipuluje się za pomocą pól elektromagnetycznych, takich jak fale o częstotliwości radiowej lub mikrofale” – mówi Sebastian Stepanow, starszy naukowiec w laboratorium Gambardelli. Technika ta, znana również jako elektronowy rezonans paramagnetyczny, została opracowana już w połowie lat czterdziestych XX wieku i od tego czasu jest stosowana w różnych dziedzinach, takich jak badania materiałowe, chemia i biofizyka. „Kilka lat temu wykazano, że w pojedynczych atomach można wywołać elektronowy rezonans paramagnetyczny; jednak jak dotąd dokładny mechanizm tego zjawiska nie jest jasny” – mówi Stepanow.

Aby dokładniej zbadać procesy mechaniki kwantowej stojące za tym mechanizmem, naukowcy przygotowali cząsteczki pentacenu (węglowodoru aromatycznego) na srebrnym podłożu. Na podłożu została wcześniej osadzona cienka warstwa izolacyjna tlenku magnezu. Warstwa ta zapewnia, że ​​elektrony w cząsteczce zachowują się mniej więcej tak, jak w wolnej przestrzeni.

Za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego naukowcy najpierw scharakteryzowali chmury elektronów w cząsteczce. Oznacza to pomiar prądu powstającego, gdy elektrony tunelują mechanicznie kwantowo od czubka wolframowej igły do ​​cząsteczki. Zgodnie z prawami fizyki klasycznej elektrony nie powinny mieć możliwości przeskoczenia szczeliny pomiędzy czubkiem igły a cząsteczką, ponieważ brakuje im niezbędnej energii. Mechanika kwantowa pozwala jednak, aby pomimo tego braku elektrony „tunelowały” szczelinę, co prowadzi do powstania mierzalnego prądu.

Miniaturowy magnes na czubku igły

Ten prąd tunelowy można spolaryzować spinowo, używając najpierw końcówki wolframowej do wychwytywania kilku atomów żelaza, które również znajdują się na warstwie izolacyjnej. Na czubku atomy żelaza tworzą rodzaj miniaturowego magnesu. Kiedy przez magnes przepływa prąd tunelowy, spiny elektronów w tym prądzie układają się równolegle do jego namagnesowania.

Teraz badacze przyłożyli stałe napięcie oraz szybko oscylujące napięcie do namagnesowanej końcówki wolframowej i zmierzyli powstały prąd tunelowy. Zmieniając siłę obu napięć i częstotliwość napięcia oscylacyjnego, udało im się zaobserwować charakterystyczne rezonanse w prądzie tunelowym. Dokładny kształt tych rezonansów pozwolił im wyciągnąć wnioski na temat procesów zachodzących pomiędzy elektronami tunelującymi a elektronami cząsteczki.

Bezpośrednia kontrola wirowania za pomocą prądów spolaryzowanych

Z danych Stepanow i jego współpracownicy wyciągnęli dwa wnioski. Z jednej strony spiny elektronów w cząsteczce pentacenu reagowały na pole elektromagnetyczne wytwarzane przez napięcie zmienne w taki sam sposób, jak w zwykłym elektronowym rezonansie paramagnetycznym. Z drugiej strony kształt rezonansów sugerował, że istnieje dodatkowy proces, który również wpływa na spiny elektronów w cząsteczce.

„Ten proces to tak zwany moment przeniesienia spinu, dla którego cząsteczka pentacenu jest idealnym układem modelowym” – mówi doktorant Stepan Kovarik. Moment przeniesienia spinu to efekt, w którym spin cząsteczki zmienia się pod wpływem prądu spolaryzowanego spinowo, bez bezpośredniego działania pola elektromagnetycznego. Badacze z ETH wykazali, że w ten sposób możliwe jest również tworzenie kwantowo-mechanicznych stanów superpozycji spinu molekularnego. Takie stany superpozycji wykorzystuje się m.in. w technologiach kwantowych.

„Ta kontrola spinu za pomocą prądów spolaryzowanych spinowo na poziomie kwantowym otwiera różne możliwe zastosowania” – mówi Kovarik. W przeciwieństwie do pól elektromagnetycznych, prądy spolaryzowane spinowo działają bardzo lokalnie i można nimi sterować z precyzją mniejszą niż nanometr. Prądy takie można by bardzo precyzyjnie adresować elementy obwodów elektronicznych w urządzeniach kwantowych i w ten sposób np. kontrolować stany kwantowe kubitów magnetycznych.

Odniesienie: „Elektronowy rezonans paramagnetyczny napędzany momentem spinowym pojedynczego spinu w cząsteczce pentacenu” autorstwa Stepana Kovarika, Richarda Schlitza, Aishwaryi Vishwakarmy, Dominica Ruckerta, Pietro Gambardelli i Sebastiana Stepanowa, 20 czerwca 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adh4753