操纵量子态的另一种方法

苏黎世联邦理工学院的研究人员证明，单电子自旋的量子态可由自旋均匀排列的电子电流控制。未来，这种方法可用于电子电路元件。

电子具有固有的角动量，即所谓的自旋，这意味着它们可以沿着磁场排列，就像指南针一样。除了电子的电荷决定了它们在电子电路中的行为外，它们的自旋也越来越多地用于存储和处理数据。

目前，人们已经可以购买 MRAM 存储元件(磁性随机存取存储器)，其中的信息存储在非常小但仍然是经典的磁体中，也就是说，包含非常多的电子自旋。MRAM 基于自旋平行排列的电子流，可以改变材料中特定点的磁化强度。

苏黎世联邦理工学院的 Pietro Gambardella 和他的同事现在表明，这种自旋极化电流也可用于控制单电子自旋的量子态。他们的研究结果刚刚发表在《科学》杂志上，未来可用于不同的技术，例如控制量子比特的量子态。

单分子中的隧道电流

甘巴德拉实验室的高级科学家塞巴斯蒂安·斯泰帕诺说：“传统上，电子自旋是利用电磁场(如射频波或微波)来操纵的。”这项技术也称为电子顺磁共振，是在 20 世纪 40 年代中期开发的，此后一直用于材料研究、化学和生物物理学等不同领域。

斯蒂芬诺说：“几年前，人们就证明可以在单个原子中诱发电子顺磁共振;然而，到目前为止，这一过程的具体机制尚不清楚。”

为了更深入地研究这一机制背后的量子力学过程，研究人员在银基片上制备了并五苯(一种芳香烃)分子。之前，在基片上沉积了一层薄薄的氧化镁绝缘层。这一层确保分子中的电子表现与在自由空间中的表现大致相同。

研究人员首先利用扫描隧道显微镜对分子中的电子云进行表征。这涉及测量电子从钨针尖端量子隧穿到分子时产生的电流。根据经典物理学定律，电子不应该能够跳过针尖和分子之间的间隙，因为它们缺乏必要的能量。然而，量子力学允许电子尽管缺乏这种能量，但仍能“隧穿”间隙，从而产生可测量的电流。

博士生 Stepan Kovarik 站在真空室前，实验样品就是在真空室中制作的。图片来源：D-MATL / Kilian Dietrich、Maria Feofilova 和 Hasan Baysal

针尖上的微型磁铁

隧道电流可以通过先用钨尖端拾取几个铁原子(这些原子也位于绝缘层上)来实现自旋极化。在尖端上，铁原子形成了一种微型磁铁。当隧道电流流过这种磁铁时，电流中电子的自旋都会与其磁化方向平行。

研究人员在磁化钨尖端施加了恒定电压和快速振荡电压，并测量了由此产生的隧道电流。通过改变两种电压的强度和振荡电压的频率，他们能够观察到隧道电流中的特征共振。这些共振的确切形状使他们能够得出关于隧道电子和分子电子之间发生的过程的结论。

通过极化电流直接控制自旋

从这些数据中，Stepanow 和他的同事们能够得出两个结论。一方面，五苯并苯分子中的电子自旋对交流电压产生的电磁场的反应方式与普通电子顺磁共振相同。另一方面，共振的形状表明还有一个额外的过程也影响了分子中电子的自旋。

“这个过程就是所谓的自旋转移力矩，五苯并菲分子是一个理想的模型系统，”博士生 Stepan Kovarik 说道。自旋转移力矩是一种在自旋极化电流的影响下改变分子自旋的效应，无需电磁场的直接作用。ETH 的研究人员证明，也可以通过这种方式创建分子自旋的量子力学叠加态。例如，这种叠加态可用于量子技术。

Kovarik 表示：“这种通过自旋极化电流在量子层面上进行自旋控制开辟了各种可能的应用。”与电磁场相比，自旋极化电流作用非常局部，可以以小于纳米的精度进行控制。这种电流可用于非常精确地处理量子设备中的电子电路元件，从而控制磁性量子比特的量子态等。