اپتیک و کوانتوم

الکترون‌ها یک تکانه زاویه‌ای ذاتی دارند که اصطلاحاً اسپین نامیده می‌شود، به این معنی که می‌توانند خود را در امتداد میدان مغناطیسی قرار دهند، دقیقاً مانند یک سوزن قطب‌نما. علاوه بر بار الکتریکی الکترون ها که رفتار آنها را در مدارهای الکترونیکی تعیین می کند، اسپین آنها به طور فزاینده ای برای ذخیره و پردازش داده ها استفاده می شود. در حال حاضر، می‌توان عناصر حافظه MRAM (حافظه‌های دسترسی تصادفی مغناطیسی) را خریداری کرد که در آن اطلاعات در آهن‌رباهای بسیار کوچک اما همچنان کلاسیک ذخیره می‌شوند - یعنی حاوی اسپین‌های الکترونی بسیار زیادی هستند. MRAM ها بر اساس جریان های الکترون با اسپین های موازی تراز هستند که می توانند مغناطش را در یک نقطه خاص از یک ماده تغییر دهند. پیترو گامباردلا و همکارانش در ETH زوریخ اکنون نشان می‌دهند که از چنین جریان‌های قطبی اسپینی می‌توان برای کنترل حالات کوانتومی اسپین‌های تک الکترون نیز استفاده کرد. نتایج آنها که به تازگی در مجله Science منتشر شده است، می تواند در آینده در فناوری های مختلف، به عنوان مثال در کنترل حالت های کوانتومی بیت های کوانتومی (کیوبیت) استفاده شود.

سباستین استپانو، دانشمند ارشد آزمایشگاه گامباردلا، می گوید: «به طور سنتی، اسپین های الکترون با استفاده از میدان های الکترومغناطیسی مانند امواج فرکانس رادیویی یا امواج مایکروویو دستکاری می شوند. این تکنیک که به عنوان تشدید پارامغناطیس الکترون نیز شناخته می‌شود، در اواسط دهه 1940 توسعه یافت و از آن زمان در زمینه‌های مختلفی مانند تحقیقات مواد، شیمی و بیوفیزیک استفاده شده است. استپانو می‌گوید: «چند سال پیش، نشان داده شد که می‌توان رزونانس پارامغناطیس الکترونی را در اتم‌های منفرد القا کرد؛ اما تاکنون مکانیسم دقیق این امر نامشخص بوده است.

 برای مطالعه دقیق‌تر فرآیندهای مکانیکی کوانتومی پشت این مکانیسم، محققان مولکول‌های پنتاسن (یک هیدروکربن معطر) را بر روی یک بستر نقره تهیه کردند. یک لایه عایق نازک از اکسید منیزیم قبلاً روی بستر قرار گرفته بود. این لایه تضمین می‌کند که الکترون‌های موجود در مولکول کم و بیش مانند فضای آزاد رفتار می‌کنند. محققان با استفاده از یک میکروسکوپ تونلی روبشی، ابتدا ابرهای الکترونی موجود در مولکول را مشخص کردند. این شامل اندازه گیری جریانی است که وقتی الکترون ها به صورت مکانیکی کوانتومی از نوک سوزن تنگستن به مولکول تونل می کنند ایجاد می شود. طبق قوانین فیزیک کلاسیک، الکترون‌ها نباید بتوانند از شکاف بین نوک سوزن و مولکول عبور کنند زیرا انرژی لازم را ندارند. با این حال، مکانیک کوانتومی به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا علی‌رغم این کمبود، از میان شکاف «تونل بزنند» که منجر به جریان قابل اندازه‌گیری می‌شود. این جریان تونل را می توان با استفاده از نوک تنگستن برای برداشتن چند اتم آهن، که روی لایه عایق نیز قرار دارند، قطبش اسپینی کرد. در نوک آن، اتم های آهن نوعی آهنربا مینیاتوری ایجاد می کنند. هنگامی که یک جریان تونلی از این آهنربا می گذرد، اسپین های الکترون ها در جریان همگی به موازات مغناطش آن همسو می شوند.

محققان یک ولتاژ ثابت و همچنین یک ولتاژ نوسانی سریع را روی نوک تنگستن مغناطیسی اعمال کردند و جریان تونل حاصل را اندازه گرفتند. با تغییر قدرت هر دو ولتاژ و فرکانس ولتاژ نوسانی، آنها توانستند تشدیدهای مشخصه را در جریان تونل مشاهده کنند. شکل دقیق این تشدیدها به آنها اجازه داد تا در مورد فرآیندهایی که بین الکترون های تونل زنی و الکترون های مولکول رخ می دهد، نتیجه گیری کنند. از داده ها، استپانو و همکارانش توانستند دو بینش به دست آورند. از یک طرف، اسپین های الکترون در مولکول پنتاسن به میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط ولتاژ متناوب به همان روشی که در رزونانس پارامغناطیس الکترون معمولی واکنش نشان می دهد. از سوی دیگر، شکل رزونانس‌ها نشان می‌دهد که یک فرآیند اضافی وجود دارد که بر اسپین‌های الکترون‌ها در مولکول نیز تأثیر می‌گذارد. این فرآیند به اصطلاح گشتاور انتقال اسپین است که مولکول پنتاسن برای آن یک سیستم مدل ایده آل است. گشتاور انتقال اسپین اثری است که در آن اسپین مولکول تحت تأثیر جریان قطبی شده اسپین بدون اثر مستقیم میدان الکترومغناطیسی تغییر می‌کند. محققان ETH نشان دادند که می‌توان از این طریق حالت‌های برهم‌نهی مکانیکی کوانتومی اسپین مولکولی را نیز ایجاد کرد. چنین حالت های برهم نهی، به عنوان مثال، در فناوری های کوانتومی استفاده می شود. کوواریک می‌گوید: «این کنترل اسپین توسط جریان‌های قطبی اسپین در سطح کوانتومی، کاربردهای مختلف ممکن را باز می‌کند. برخلاف میدان‌های الکترومغناطیسی، جریان‌های قطبی اسپینی بسیار موضعی عمل می‌کنند و می‌توانند با دقت کمتر از یک نانومتر هدایت شوند. چنین جریان هایی را می توان برای آدرس دادن به عناصر مدار الکترونیکی در دستگاه های کوانتومی بسیار دقیق و بنابراین، به عنوان مثال، کنترل حالت های کوانتومی کیوبیت های مغناطیسی استفاده کرد.

More information: Stepan Kovarik et al, Spin torque–driven electron paramagnetic resonance of a single spin in a pentacene molecule, Science (2024).