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 / Aishwarya Vishwakarma und Stepan Kovarik

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经证明，单电子自旋的量子态可以由自旋均匀排列的电子电流来控制。将来，这种方法可以用于电子电路元件。

电子具有固有的角动量，即所谓的自旋，这意味着它们可以沿着磁场对齐，就像指南针一样。除了决定电子在电子电路中行为的电子电荷外，它们的自旋也越来越多地用于存储和处理数据。

人们已经可以购买MRAM存储元件（磁性随机存取存储器），其中的信息存储在非常小但仍然经典的磁体中，也就是说，包含非常多的电子自旋。MRAM基于电子电流，其自旋平行排列，可以改变材料中特定点的磁化强度。

Pietro Gambardella和他在苏黎世联邦理工学院的合作者现在表明，这种自旋极化电流也可以用来控制单电子自旋的量子态。他们的研究结果刚刚发表在《科学》杂志上，将来可以用于不同的技术，例如控制量子比特（qubits）的量子态。

“传统上，电子自旋是使用电磁场（如射频波或微波）操纵的，”Gambardella实验室的高级科学家Sebastian Stepanow说。这种技术也称为电子顺磁共振，是在 1940 年代中期开发的，此后被用于材料研究、化学和生物物理学等不同领域。

“几年前，人们证明可以在单个原子中诱导电子顺磁共振;然而，到目前为止，其确切机制尚不清楚，“Stepanow说。

为了更仔细地研究这种机制背后的量子力学过程，研究人员在银衬底上制备了五苯（一种芳香烃）分子。先前在基材上沉积了一层薄薄的氧化镁绝缘层。该层确保分子中的电子或多或少地表现得像它们在自由空间中一样。

使用扫描隧道显微镜，研究人员首先表征了分子中的电子云。这涉及测量电子从钨针尖端到分子的量子力学隧道时产生的电流。根据经典物理定律，电子不应该能够跳过针尖和分子之间的间隙，因为它们缺乏必要的能量。然而，量子力学允许电子通过间隙“隧道”，尽管缺乏这种差距，这导致了可测量的电流。

博士生斯捷潘·科瓦里克（Stepan Kovarik）在生产实验样品的真空室前。图片来源：D-MATL / Kilian Dietrich、Maria Feofilova 和 Hasan Baysal

针尖上的微型磁铁

通过首先使用钨尖拾取一些铁原子，这种隧道电流可以自旋极化，这些铁原子也在绝缘层上。在尖端，铁原子形成一种微型磁铁。当隧道电流流过该磁体时，电流中电子的自旋都平行于其磁化强度排列。

研究人员对磁化钨尖端施加了恒定电压和快速振荡电压，并测量了由此产生的隧道电流。通过改变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谐振。这些共振的确切形状使他们能够得出关于隧穿电子和分子之间发生的过程的结论。

从这些数据中，Stepanow和他的同事们能够收集到两个见解。一方面，五苯分子中的电子自旋以与普通电子顺磁共振相同的方式对交流电压产生的电磁场做出反应。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传递扭矩，为此，五苯分子是一个理想的模型系统，”博士生Stepan Kovarik说。自旋传递转矩是在自旋极化电流的影响下改变分子自旋而没有电磁场直接作用的一种效应。ETH的研究人员证明，也可以以这种方式创建分子自旋的量子力学叠加态。例如，这种叠加态用于量子技术。

“这种由量子水平上的自旋极化电流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，自旋极化电流作用于非常局部，可以以小于一纳米的精度进行控制。这种电流可用于非常精确地处理量子器件中的电子电路元件，从而控制磁量子比特的量子态。

更多信息：Stepan Kovarik 等人，五苯分子中单个自旋的自旋转矩驱动电子顺磁共振，《科学》（2024 年）。DOI： 10.1126/science.adh4753

期刊信息： Science