Физики измерили свободную эволюцию двух запутанных спинов

L. M. Veldman et al / Science, 2021

Физики скомбинировали метод туннельной спектроскопии в режиме накачки-зондирования с электронным парамагнитным резонансом для исследования свободной динамики двух запутанных спинов. Для этого они поместили два гидрированных атома титана на поверхность кристаллического оксида магния и создали условия для возникновения квантовой запутанности. Исследование опубликовано в Science.

Одна из самых важных задач в современной прикладной физике — это научиться контролировать когерентную динамику квантовых систем. Исторически физики начинали делать это на простейших двухуровневых системах — одиночных кубитах. На сегодняшний день существует множество реализаций кубитов, включающих сверхпроводящие контуры или NV-центры, однако квантовые системы на основе пары уровней обыкновенных атомов со спином, равным 1/2, до сих пор привлекают внимание ученых и инженеров. Оба состояния и их суперпозицию в этом случае определяет проекция атомного спина.

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.

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.

Марат Хамадеев


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.