苏黎世联邦理工学院的研究人员已经展示了自旋极化电流如何精确控制电子自旋中的量子态，这为在先进计算中操纵量子比特提供了一种新方法。

电子具有被称为自旋的固有角动量，这允许它们与磁场对齐，类似于指南针的工作方式。除了电子的电荷影响其在电子电路中的行为外，电子的自旋越来越多地被用于数据存储和处理。

现在，已经可以购买到MRAM（磁性随机存取存储器）内存元件，其中的信息存储于非常小但仍然经典的磁体之中——即包含大量电子自旋的磁体。MRAM以平行自旋的电子流为基础，可以改变材料中特定点的磁化。

苏黎世联邦理工学院的彼得罗·甘巴尔德拉和他的合作者现在表明，这种自旋极化电流也可以用来控制单个电子自旋的量子态。他们的研究成果刚刚发表在《科学》杂志上，未来可用于不同领域的技术，例如量子比特（量子位元）的量子态控制。

单分子隧道电流

甘巴德拉实验室的高级科学家塞巴斯蒂安·斯特帕诺夫说：“传统上，人们使用电磁波（如射频波或微波）来控制电子自旋。”这种技术也被称为电子顺磁共振，早在20世纪40年代中期就已经开发出来，并自那时起就被应用于材料研究、化学和生物物理学等不同领域。斯特帕诺夫说：“几年前，人们已经证明可以在单个原子上诱导电子顺磁共振，但到目前为止，其具体机制尚不清楚。”

为了更深入地研究这一机制背后的量子力学过程，研究人员在银基底上制备了并五苯（一种芳香烃）分子。此前，已在基底上沉积了一层薄薄的氧化镁绝缘层。这一层确保了分子中的电子或多或少地像在自由空间中那样表现。

使用扫描隧道显微镜，研究人员首先对分子中的电子云进行了表征。这意味着测量当电子从钨针尖量子机械地隧穿到分子时所产生的电流。根据经典物理学的定律，电子由于缺乏必要的能量，不应能够跃过针尖和分子之间的间隙。然而，量子力学允许电子尽管缺乏这种能量也能“隧穿”通过间隙，从而产生可测量的电流。

针尖上的微型磁铁

这种隧道电流可以首先通过钨尖端来拾取一些位于绝缘层上的铁原子，从而被自旋极化。在尖端，铁原子会形成一种微型磁体。当隧道电流流过这个磁体时，电流中电子的自旋都与它的磁化方向平行排列。

现在，研究人员在磁化钨尖端上施加恒定电压和快速振荡电压，并测量所产生的隧道电流。通过改变两个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结论，了解隧道电子和分子电子之间发生的过程。

通过极化电流直接控制自旋

从数据中，斯捷潘诺夫和他的同事们得出了两个结论。一方面，并五苯分子中的电子自旋对交流电压产生的电磁场的反应与普通电子顺磁共振中相同。另一方面，共振的形状表明还存在另一个过程，它同样影响着分子中电子的自旋。

“这一过程就是所谓的自旋转移扭矩，五苯基分子正是研究该过程的理想模型系统，”博士生斯蒂芬·科瓦里克说。自旋转移扭矩是一种效应，即分子的自旋会在自旋极化电流的影响下发生改变，而无需电磁场的直接作用。苏黎世联邦理工学院的研究人员证明了，通过这种方式也可以创建分子自旋的量子力学叠加态。例如，这种叠加态就应用于量子技术中。

科瓦里克表示：“量子层面上自旋极化电流的自旋控制开启了各种可能的应用。” 与电磁场相比，自旋极化电流的作用范围非常局部，且可以控制到小于纳米级的精度。这些电流可用于在量子器件中非常精确地寻址电子电路元件，例如，控制磁量子位的量子态。

参考：“并五苯分子中单个自旋的自旋扭矩驱动电子顺磁共振”由 Stepan Kovarik、Richard Schlitz、Aishwarya Vishwakarma、Dominic Ruckert、Pietro Gambardella 和 Sebastian Stepanow 撰写，于 2024 年 6 月 20 日在《科学》杂志上发表。DOI：10.1126/science.adh4753