电子电路应用前景 量子态操控新方式，未来电子电路的潜力无限

量子态操控新方式，未来电子电路的潜力无限

科学家们通过一种新的方法，成功操控了单电子自旋的量子态，这个突破性的研究成果发表在《Science》期刊上。ETHZurich的研究团队展示了通过使用自旋极化电流，可以控制单电子自旋的量子态。未来，这种方法可能会被应用于电子电路元件中。

电子不仅具有电荷，还具有一种称为自旋的内在角动量，类似于指南针针尖在磁场中的对齐方式。自旋不仅能用于存储和处理数据，还能在电子电路中发挥重要作用。现在市面上已经有了MRAM（磁性随机存取存储器）元件，它们利用平行对齐的电子自旋流来改变材料中某个点的磁化。

ETHZurich的PietroGambardella和他的团队展示了这种自旋极化电流也可以用来控制单电子自旋的量子态。他们的研究结果可能在未来的技术中得到应用，例如在量子比特（qubits）的量子态控制中。

“传统上，电子自旋是通过电磁场如射频波或微波来操控的，”Gambardella实验室的高级科学家SebastianStepanow说。这种技术，也被称为电子顺磁共振，自20世纪40年代中期开发以来，一直在材料研究、化学和生物物理等领域中应用。

图释：左图：绝缘层（蓝色）上的单个五苯分子（黄色）。右图：自旋平行排列的电子（小箭头）从钨尖（顶部）到分子（底部）隧道。图片来源：苏黎世联邦理工学院/AishwaryaVishwakarmaundStepanKovarik

为了更深入地研究这个机制背后的量子力学过程，研究人员在银基底上准备了五苯分子（五苯是一种芳香烃）。在基底上预先沉积了一层薄薄的氧化镁绝缘层，这层绝缘层确保分子中的电子行为类似于在自由空间中的行为。

通过扫描隧道显微镜，研究人员首先表征了分子中的电子云，这需要测量电子从钨针尖量子隧穿到分子时产生的电流。根据经典物理学的定律，电子不应该能够跨越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“隧穿”过这个间隙，尽管能量不足，这导致了可测量的电流。

这种隧道电流可以通过先使用钨针尖拾取一些铁原子来实现自旋极化，这些铁原子也位于绝缘层上。在针尖上，铁原子形成了一种微型磁体。当隧道电流通过这个磁体时，电流中电子的自旋全部平行于其磁化方向。

图释：博士生斯捷潘·科瓦里克（StepanKovarik）在生产实验样品的真空室前。图片来源：D-MATL/KilianDietrich、MariaFeofilova和HasanBaysal

研究人员对磁化的钨针尖施加了一个恒定电压以及一个快速振荡的电压，并测量了产生的隧道电流。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隧穿电子和分子电子之间发生的过程的结论。

从数据中，Stepanow和他的同事得出了两个见解。一方面，五苯分子中的电子自旋对交变电压产生的电磁场的反应与普通的电子顺磁共振相同。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转矩，对五苯分子来说，这是一个理想的模型系统，”博士生StepanKovarik说。自旋转移转矩是一种效应，其中分子的自旋在自旋极化电流的影响下发生变化，而无需电磁场的直接作用。ETH的研究人员证明，通过这种方式还可以创建分子自旋的量子力学叠加态。这种叠加态在量子技术中有广泛应用。

“这种通过自旋极化电流在量子水平上进行的自旋控制开辟了各种可能的应用，”Kovarik说。与电磁场相比，自旋极化电流作用非常局部，可以精确到不到纳米的精度。这种电流可以非常精确地用于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。

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学应用电子技术专业好就业吗？就业前景及发展方向解析

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