Иллюстрация: L. M. Veldman et al / Science. В журнале Science опубликовано исследование, в котором группа физиков применила новый комбинированный метод, на основе туннельной спектроскопии с накачкой-зондированием и электронным парамагнитным резонансом для изучения свободной динамики двух запутанных спинов. Для этого ученые поместили два гидрированных атома титана на поверхность кристаллического оксида магния, создав условия для возникновения квантовой запутанности. Данное исследование имеет важное значение в контексте современной прикладной физики, одной из главных задач которой является управление когерентной динамикой квантовых систем. Исторически исследования в этой области начинались с изучения простейших двухуровневых систем – одиночных кубитов. В настоящее время существует множество реализаций кубитов, таких как сверхпроводящие контуры или NV-центры. Однако квантовые системы на основе пар уровней обычных атомов со спином 1/2 продолжают привлекать внимание ученых и инженеров. В этом случае оба состояния и их суперпозиция определяются проекцией атомного спина.
(A) ЭПР-сигнал, снятый с «вертикального» (синий) и «горизонтального» (зеленый) атомов при температуре 1,5 кельвина, переменном напряжении 30 милливольт, токе 50 пикоампер, постоянном напряжении 60 милливольт и внешнем магнитном поле 450 миллитесла. (B) Общая схема взаимодействия зонда с димером. (C) Зеемановское расщепление в зависимости от приложенного зондом магнитного поля. В точке совпадения энергетических уровней возникает запутывание. L. M. Veldman et al / Science
Управление и считывание таких состояний у одиночных атомов уже удалось реализовать с помощью комбинации сканирующей туннельной микроскопии с методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Главным инструментом при этом стало микроволновое излучение, чьи импульсы позволяют проводить манипуляции с одиночным атомом и наблюдать спиновую динамику на наносекундном масштабе. Однако при попытке применить эту методику к паре взаимодействующих атомов выяснилось, что одних микроволн недостаточно для того, чтобы изучать свободную эволюцию такой системы. Причина в том, что при достаточно сильном взаимодействии между атомами, внутренняя динамика имеет гораздо меньшие временные масштабы, и это требует применения новых методов манипуляции атомными спинами.
Группа физиков из Нидерландов и Германии под руководством Александра Отте (Alexander Otte) из Делфтского технического университета, Нидерланды, показала, что существующие ограничения можно обойти, если использовать метод туннельной спектроскопии в режиме накачки-зондирования. В его основе лежит зависимость проводимости контакта «зонд-атом» от взаимной ориентации спинов с обоих его концов. Режим накачки-зондирования реализуется путем подачи нескольких пар электрических импульсов на зонд. Первый импульс (импульс накачки) переводит систему в исследуемое состояние, второй (зондирующий импульс) измеряет ее состояние через некоторое время. Последовательно увеличивая это время от пары к паре, можно получать информацию о свободной эволюции спиновой системы.
В качестве объектов исследования физиками были использованы гидрированные атомы титана, размещенные на поверхности двухслойных островов оксида магния, выращенных на слое серебра. Одна из особенностей таких атомов — это анизотропный фактор Ланде. Это означает, что положение резонансов на ЭПР-спектре зависит от положения и ориентации атома в кристаллической решетке. Пользуясь этим, авторы изготовили димер из атомов титана, демонстрирующих разные отклики на магнитное воздействие (они назвали их «вертикальным» и «горизонтальным», соответственно). Это было сделано для того, чтобы иметь возможность отстраивать атомы из состояния запутанности, вызываемого совпадением их зеемановских расщеплений.
Управление расщеплением в свою очередь производилось путем изменения расстояния между атомом и зондом. От этого расстояния зависит величина магнитного поля, производимого атомами железа, размещенными на кончике зонда. При некотором поле димер можно перевести в запутанное состояние, одним из проявлений которого стала так называемая «флип-флоп» эволюция, то есть осциллирующий характер спиновой динамики. Именно такие осцилляции были измерены авторами статьи с помощью туннельной спектроскопии.
Измерение свободной динамики спина одного из атомов в димере ниже, выше и в точке резонанса при температуре 400 милликельвина, напряжении 60 милливольт и длительности импульса 7 нанометров. Внерезонансные кривые соответствуют независимой эволюции одиночного спина. L. M. Veldman et al / Science
Физики построили подробную математическую модель изучаемого процесса, которая продемонстрировала согласие с экспериментом. Они обнаружили также, что «флип-флоп» частота не зависит от отстройки от резонанса. Такое неожиданное поведение авторы попытались объяснить отсутствием полной компенсации орбитальных моментов из-за симметрий кристаллической решетки.
Ученые подчеркивают, что использованный метод влияет только на спин, находящийся непосредственно под иглой зонда, независимо от того, в каком состоянии находится весь димер. Развитая техника, по их мнению, может быть использована для манипуляции целыми спиновыми массивами, что может быть полезно для спинтроники и магноники, а также для создания спиновых квантовых симуляторов.
Физики уже многого достигли в управлении спинами. Ранее они выяснили, что на спиновую динамику влияет толщина пленки, и даже поставили рекорд в переключении спина.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
