梨花女子大學 (QNS) IBS 量子納米科學中心的研究人員表明,位于氧化鎂薄絕緣層上的鏑原子在幾天內具有磁穩定性。在Nature Communications 上發表的一項研究中,他們證明這些微小的磁鐵對磁場和溫度的波動具有極強的魯棒性,并且只有當它們通過 STM 尖端被高能電子轟擊時才會翻轉。


使用這些超穩定但可切換的單原子磁鐵,該團隊展示了人工構建的量子架構內磁場的原子級控制。這項工作中展示的磁場的原子尺度可調性和精密工程為量子邏輯設備和量子計算增加了一個新范式。 Aparajita Singha 博士說,他作為 QNS 的博士后進行了這項研究,現在是馬克斯普朗克固態研究所的組長。

研究人員發現超穩定單原子磁鐵 無需仔細控制其周圍環境

Aparajita Singha 博士在 QNS 使用其中一個支持 ESR 的 STM 系統


雖然磁性產生于單個原子的水平,也稱為不成對自旋,但小原子團通常在磁性上非常不穩定,而無需仔細控制其周圍環境。在如此小的尺度上理解磁性是一個基本的物理問題,它在技術上對于創建量子位(量子計算的構建塊)變得非常重要。


可以在掃描隧道顯微鏡 (STM) 中通過鋒利的電極探針使用量子隧道效應來研究和控制如此小尺度的磁性??梢允褂脝卧与娮幼孕舱?(ESR) 測量這些原子自旋的指紋。QNS 的研究團隊結合使用這些強大的技術,找到了實現長期尋求的堅固單原子磁鐵的合適條件。

研究人員發現超穩定單原子磁鐵 無需仔細控制其周圍環境

創造最小的超穩定磁鐵絕非易事。它需要在測量技術的極限下運行并找到合適的條件。在雙層 MgO 基板上,Dy 原子幾乎是孤立的,但仍然感覺有足夠的方向性以在幾天內保持明確的極性,Singha 博士說。


為了能夠凍結單個原子并測量它們的微小信號,該團隊創造了一個極端的物理環境,包括:(a) 比室溫小 1000 倍的溫度,原子停止在表面漂移,(b) 真空比真空強空間,這樣原子就不會被雜質污染,否則會使我們的結果產生偏差,以及 (c) 超潔凈的晶體表面,除了所需的單個原子之外,頂部幾乎沒有任何東西。至于工具本身,他們在 STM 尖端上一個一個地拾取單個 Fe(鐵)原子,直到在 ESR 中達到足夠的信噪比,即使沒有任何外部磁場(通常為 30-50原子)。由于超穩定 Dy 原子磁體(4f 軌道)的電子態對于 STM 測量來說太屏蔽了,研究人員在一個更容易測量的傳感器 Fe-atom 上測量了它的磁場投影,該傳感器放置在同一表面的指定位置。使用相同的 STM 尖端,他們還在傳感器 Fe 原子周圍的晶體基板的不同晶格位置布置了單個 Dy 原子磁體。故意翻轉單個 Dy 原子磁體以精確的離散性改變了傳感器 Fe 原子位置處的磁場,然后使用 ESR 測量其在幾天內保持穩定。


放置在原子級精確位置的可切換超穩定單原子磁鐵為極其局部但精確的磁場控制提供了一個工具箱。一旦設置了磁性狀態,它就會自動保持,無需龐大而昂貴的外部磁鐵。Singha 博士總結道,磁場的原子級可調性是未來基于表面的量子電路的強大控制工具。


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