Физики используют магнитный вихрь для управления спином электрона

Исследователи из Case Western Reserve University разработали способ быстро и точно управлять спинами электронов при комнатной температуре.
Технология, описанная в Nature Communications, предлагает возможную альтернативную стратегию для построения квантовых компьютеров.

«Что делает электронные устройства возможными, так это управление движением электронов с помощью электрических полей, которые являются сильными, быстрыми и локальными, - сказал профессор физики Джесси Березовский (Jesse Berezovsky), руководитель исследования. - Это трудно с магнитными полями, но они – то, что вам нужно для управления спинами».

Другие исследователи искали материалы, где электрические поля могут имитировать эффекты магнитного поля, но найти материалы, где этот эффект достаточно силен и все еще работает при комнатной температуре, оказалось трудно.

«Наше решение, - сказал проф. Березовский, - заключается в использовании магнитного вихря».

Исследователи изготовили магнитные микродиски, которые не имеют северного и южного полюсов, как у стержневого магнита, но намагничиваются в вихри. Магнитное поле исходит от ядра вихря. В центральной точке поле особенно сильно и направлено перпендикулярно диску.

Вихри связаны с наночастицами алмаза. В решетке алмаза внутри каждой наночастицы, несколько отдельных спинов захватываются дефектами, называемыми вакансиями азота.

Для инициализации спина ученые используют импульс лазера. Применяя микроволны (СВЧ) и слабое магнитное поле, команда Березовского может переместить вихрь за наносекунду, смещая центральную точку, что может вызвать изменение спина электрона.

В так называемом квантовом когерентном состоянии спин может выступать в качестве квантового бита, или кубита, – основной единицы информации в квантовом компьютере.

В современных компьютерах биты информации существуют в одном из двух состояний: «ноль» или «единица». Но в состоянии суперпозиции спин может быть направлен вверх и вниз одновременно, то есть принимать значения «ноль» и «единица» одновременно. Такая возможность позволила бы выполнять более сложные и более быстрые вычисления.

«Спины близки друг к другу, и вы хотите, чтобы спины взаимодействовали со своими соседями в квантовых вычислениях, - сказал проф. Березовский. – Вычислительная мощность обусловливается их зацеплением».

Градиента магнитного поля, создаваемого вихрями, оказалось достаточно, чтобы манипулировать спинами, находящимися только в нанометрах друг от друга.

Кроме вычислений, электроны, управляемые в когерентных квантовых состояниях, могут быть полезными для датчиков с чрезвычайно высокой разрешающей способностью, говорят исследователи. Например, в МРТ, они могут быть использованы для считывания магнитных полей в гораздо более подробных деталях, чем при помощи современных технологий, возможно различая атомы.

Управление электронными спинами без разрушения когерентных квантовых состояний другими методами оказалось трудным, но ряд экспериментов группы показал, что квантовые состояния остаются стабильными. На самом деле, "вихрь служит для усиления СВЧ-поля, которое мы прикладываем", сказал проф. Березовский.

Ученые продолжают сокращать время, необходимое для изменения спина, что является ключом к высокой скорости вычислений. Они также изучают взаимодействие между вихрем, СВЧ и магнитным полем и спином электрона, и как они эволюционирую во времени вместе.

Исследователи связали алмазную наночастицу с магнитным вихрем, чтобы управлять спином электрона в дефектах с вакансией азота

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365