Manipulowanie tańcem kwantowym wirujących elektronów

W świecie wirujących elektronów i stanów kwantowych – ekscytującym polu, które zmienia nasze codzienne życie za pomocą naszych gadżetów – badacze dokonali odkrycia, które zapowiada jeszcze potężniejsze możliwości przechowywania i przetwarzania.

Co powoduje spin elektronu?

Podobnie jak igła kompasu skierowana jest w stronę pola magnetycznego, tak elektrony mają nieodłączny moment pędu, zwany spinem.

Oprócz ładunku elektrycznego, który decyduje o zachowaniu się obwodów elektronicznych, ich obieg stał się kluczowy dla przechowywania i przetwarzania danych.

W naszych obecnych urządzeniach, takich jak elementy pamięci MRAM (Magnetic Random Access Memory), informacje są przechowywane za pomocą małych, klasycznych magnesów.

Pamięć ta obejmuje niezliczone cykle elektronowe. Z kolei magnetyczna pamięć RAM działa na prądach elektronowych o ustawionym spinie, które mogą zmieniać magnetyzm w określonym punkcie materiału.

Badacz Pietro Gambardella i jego zespół przy Szwajcarski Federalny Instytut Technologii w ZurychuOdkrył, że prądy spolaryzowane spinowo mogą również kontrolować stany kwantowe spinu pojedynczego elektronu.

Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie naukowym Naukico jest bardzo obiecujące w zakresie kontrolowania stanów kwantowych bitów kwantowych (kubitów).

Odkoduj spin elektronu

„Tradycyjnie spinem elektronu manipulowano za pomocą pól elektromagnetycznych, takich jak fale o częstotliwości radiowej lub mikrofale” – wyjaśnia Sebastian Stepanau, starszy naukowiec w laboratorium Gambardella.

Technika ta, znana jako elektronowy rezonans magnetyczny, sięga połowy lat czterdziestych XX wieku i znalazła zastosowanie w tak różnorodnych dziedzinach, jak badania materiałowe, chemia i biofizyka.

Jednakże dokładny mechanizm indukcji elektronowego rezonansu magnetycznego w pojedynczych atomach pozostaje niejasny.

Aby głębiej poznać procesy mechaniki kwantowej stojące za tym mechanizmem, naukowcy przygotowali cząsteczki pentacenu (węglowodoru aromatycznego) na srebrnym podłożu.

Cienka warstwa izolacyjna tlenku magnezu, wstępnie nałożona na podłoże, zapewnia, że ​​elektrony w cząsteczce zachowują się w podobny sposób, jak w wolnej przestrzeni.

Na czym polega sztuczka kwantowa?

Naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy do pomiaru prądu wytwarzanego, gdy elektrony przemieszczają się w sposób mechaniki kwantowej od czubka igły wolframowej do cząsteczki.

Fizyka klasyczna może sprzeciwiać się temu procesowi, ale mechanika kwantowa umożliwia elektronom „przeskakiwanie” przez szczelinę, generując mierzalny prąd.

Przykładając stałe napięcie i szybko oscylujące napięcie do magnetycznej końcówki wolframowej, a następnie mierząc powstały prąd tunelowy, zespół był w stanie zaobserwować charakterystyczne rezonanse w prądzie tunelowym.

Kształt tych rezonansów pozwolił im wydedukować procesy między elektronami tunelującymi a elektronami w cząsteczce.

Uzyskano kluczowe spostrzeżenia

Analizując dane, Stepanov i jego zespół dokonali dwóch bardzo ważnych spostrzeżeń.

Po pierwsze, elektron wiruje w cząsteczce pentacenu, oddziałując z polem elektromagnetycznym generowanym przez napięcie zmienne, podobnie jak w przypadku zwykłego elektronowego rezonansu magnetycznego.

Po drugie, odkryli dodatkowy proces, który również odgrywa rolę w wpływaniu na spin elektronów w cząsteczce.

„Proces ten nazywa się momentem obrotowym przeniesienia napędu” – mówi doktorant Stepan Kovarik. Pod wpływem prądu spolaryzowanego spinowo spin cząsteczki zmienia się bez bezpośredniego wpływu pola elektromagnetycznego.

Kontrola spinu i przyszłość kwantowa

Naukowcy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu wykazali, że możliwe jest tworzenie kwantowo-mechanicznych stanów superpozycji spinu elektronów molekularnych i stany te są wykorzystywane w technikach kwantowych.

„Kontrola spinu za pomocą prądów spolaryzowanych spinowo na poziomie kwantowym otwiera wiele potencjalnych zastosowań” – przewiduje Kovarik.

W przeciwieństwie do pól elektromagnetycznych, prądy spolaryzowane spinowo mogą działać lokalnie i być kierowane z precyzją poniżej nanometra.

Można je zastosować do manipulowania elementami obwodów elektronicznych w urządzeniach kwantowych z niezwykłą precyzją, kontrolując w ten sposób stany kwantowe kubitów magnetycznych.

Czas pokaże, jak te ekscytujące osiągnięcia przełożą się na praktyczne zastosowania w przechowywaniu i przetwarzaniu danych. Ale nawet wtedy, dzięki nieustannej ciekawości naukowców takich jak Gambardella, Stepanov i Kovarik, nasze zrozumienie kwantowego tańca elektronów wciąż ewoluuje.

Pełne badanie opublikowano w czasopiśmie Nauki.

———

Czy podobało Ci się to, co przeczytałeś? Zapisz się do naszego newslettera, aby otrzymywać ciekawe artykuły, ekskluzywne treści i najnowsze aktualizacje.

Poznaj nas w EarthSnap, bezpłatnej aplikacji stworzonej przez Erica Rallsa i Earth.com.

———