操纵旋转电子的量子舞蹈

在旋转电子和量子态的世界里，这个令人兴奋的领域正在通过我们的小工具重塑我们的日常生活，研究人员已经发现，它将带来更强大的存储和处理能力。

是什么使得电子自旋？

就像指南针的指针与磁场对齐一样，电子具有固有的角动量，称为“自旋”。

除了电荷决定电子电路的行为之外，它们的自旋对于存储和处理数据也至关重要。

我们当前的小工具，例如 MRAM 存储器元件（磁性随机存取存储器），信息是通过小型经典磁铁存储的。

这些由无数电子自旋组成。反过来，MRAM 又利用自旋对齐的电子电流来操作，这些电子电流可以改变材料中某一点的磁化强度。

研究员 Pietro Gambardella 及其团队 苏黎世联邦理工学院，发现自旋极化电流也可以控制单电子自旋的量子态。

他们的研究成果刚刚发表在科学期刊上 科学，为控制量子比特（qubits）的量子态带来了巨大的潜力。

解码电子自旋

“电子自旋传统上是利用电磁场（如射频波或微波）来操纵的，”Gambardella 实验室的高级科学家 Sebastian Stepanow 解释道。

这种被称为电子顺磁共振的成熟技术可以追溯到 20 世纪 40 年代中期，并已在材料研究、化学和生物物理学等各个领域得到应用。

然而，在单个原子中诱导电子顺磁共振的确切机制仍然不清楚。

为了更深入地研究该机制背后的量子力学过程，研究人员将并五苯分子（一种芳香烃）制备到银基底上。

什么是量子技巧？

研究人员使用扫描隧道显微镜测量了电子从钨针尖端以量子力学方式隧穿到分子时产生的电流。

古典物理学反对这一过程，但量子力学使电子能够“隧穿”间隙，产生可测量的电流。

通过对磁化钨尖端施加恒定电压和快速振荡电压，然后测量产生的隧道电流，该团队能够观察到隧道电流中的特征共振。

这些共振的形状使他们能够推断隧道电子和分子电子之间的过程。

获得重要见解

通过数据分析，斯蒂芬诺和他的团队获得了两个关键见解。

首先，并五苯分子中的电子自旋对交变电压产生的电磁场产生反应，类似于普通的电子顺磁共振。

其次，他们发现还有一个额外的过程在起作用，它也影响了分子中电子的自旋。

博士生 Stepan Kovarik 表示：“这个过程就是所谓的自旋转移力矩。”在自旋极化电流的影响下，分子的自旋在没有任何电磁场直接作用的情况下发生改变。

自旋控制和量子未来

ETH 的研究人员证明，创建分子电子自旋的量子力学叠加态是可能的，并且这些状态正在用于量子技术。

科瓦里克预测道：“在量子层面上通过自旋极化电流进行自旋控制将带来众多潜在的应用。”

与电磁场相反，自旋极化电流可以局部作用，并以小于纳米的精度进行控制。

它们可以被用来极其精确地寻址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。

时间将告诉我们这一激动人心的进展将如何转化为数据存储和处理的实际应用。但在此之前，得益于 Gambardella、Stepanow 和 Kovarik 等科学家的不懈好奇心，我们对电子量子舞蹈的理解将继续发展。

完整研究报告发表在期刊上 科学。

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