Shkencëtarët demonstrojnë kontroll elektrik të tranzicionit të rrotullimit atomik

Një studim i ri i botuar në Nature Communications shqyrton manipulimin e tranzicioneve të rrotullimit në shkallë atomike duke përdorur një tension të jashtëm, duke hedhur dritë mbi zbatimin praktik të kontrollit të rrotullimit në shkallë nano për aplikimet e llogaritjes kuantike.

Tranzicionet e rrotullimit në shkallën atomike përfshijnë ndryshime në orientimin e momentit këndor të brendshëm ose rrotullimit të një atomi. Në kontekstin atomik, tranzicionet spin zakonisht lidhen me sjelljen e elektroneve.

Në këtë studim, studiuesit u përqendruan në përdorimin e fushave elektrike për të kontrolluar tranzicionet e rrotullimit. Themeli i kërkimit të tyre ishte i çuditshëm dhe i nxitur nga kurioziteti.

Dr. Christian Ast, autori kryesor nga Max-Planck-Institute for Solid State Research, shpjegoi për Phys.org, “Frymëzimi ynë lindi nga kurioziteti i plotë. Ne zhvilluam makinën tonë dhe metodën eksperimentale pak para fillimit të këtij projekti.”

“Ndërsa po karakterizonim eksperimentin tonë të ri, ne vëzhguam diçka të çuditshme. Ne zbuluam se sinjali ynë ndryshon në varësi të tensionit të paragjykimit që ne aplikojmë në kryqëzimin tonë. Projekti dhe kërkimi i mëposhtëm u rritën nga ky vëzhgim.”

Elektronet posedojnë rrotullim të brendshëm, i cili mund të jetë ose “lart” ose “poshtë”. Këto gjendje rrotullimi përfaqësohen shpesh nga numra kuantikë, të tillë si +1/2 për “lart” dhe -1/2 për “poshtë”. Kur elektronet kalojnë ndërmjet këtyre gjendjeve spin, mund të rezultojë në efekte të ndryshme të vëzhgueshme.

Manipulimi i këtyre rrotullimeve është thelbësor për llogaritjen kuantike, ku rrotullimet e elektroneve përdoren si kubit, dhe për spintronikën, e cila përmirëson përpunimin dhe ruajtjen e të dhënave. Ai gjithashtu ndikon në shkencën e materialeve dhe fizikën themelore, duke ofruar përparime teknologjike dhe shkencore.

Në këtë studim, konfigurimi eksperimental ishte vendimtar për të manipuluar rrotullimet. Në thelbin e aparatit ishte një mikroskop tunelizimi i skanimit të rezonancës së spinit elektronik (ESR-STM). ESR-STM është një sistem hibrid që integron pa probleme dy teknika të fuqishme: ESR dhe STM. Me këtë konfigurim inovativ, atomet dhe molekula individuale u depozituan saktësisht në sipërfaqen e mostrës, duke ofruar një dritare unike në botën atomike.

Dr. Ast shpjegoi, “ESR-STM kombinon aftësitë e ESR dhe STM, duke na mundësuar që të zgjidhim atomet dhe molekulat individuale në një skanim topografik dhe t’i hetojmë ato me një rrymë elektrike . “

Për kampionin, studiuesit zgjodhën të studionin molekulat e vetme të hidridit të titanit (TiH). Thelbi i eksperimentit mbështetej në aplikimin strategjik të një tensioni paragjykim midis mostrës dhe majës së STM.

Aplikimi i këtij tensioni të paragjykimit shkaktoi një fushë elektrike të fuqishme brenda kryqëzimit të tunelit, një hendek i ngushtë i formuar midis majës dhe kampionit, ku elektronet mund të kalojnë tunel.

Studiuesit vunë re se fusha elektrike e induktuar ndikoi në pozicionin e molekulës TiH, duke modifikuar më pas faktorin g. Faktori g, ose Landé g-faktori, përfaqëson proporcionalitetin midis momentit këndor të brendshëm të një elektroni, ose spinit, dhe momentit të tij magnetik , duke ofruar njohuri për sjelljen e tij në një fushë magnetike.

Më tej, ata vunë re se fusha elektrike e induktuar rezultoi në ndërveprimin e molekulës TiH me një fushë magnetike unike, të nxitur nga rrotullimi i polarizuar i majës STM.

Në thelb, tensioni i paragjykimit u shfaq si një mjet i fuqishëm për manipulimin e tranzicioneve të rrotullimit.

Me këtë njohuri si bazë, studiuesit u përpoqën më tej për të eksploruar efektin Zeeman. Efekti Zeeman është fenomeni ku nivelet e energjisë të gjendjeve të spinit të elektronit në molekula individuale ndahen në prani të një fushe magnetike.

“Duke aplikuar një fushë magnetike në kryqëzimin tonë STM, ne mund të ndajmë nivelet e energjisë të dy gjendjeve të rrotullimit në molekulat individuale (efekti Zeeman). Nga këtu, ne jemi në gjendje të marrim ndryshime në rrymën tonë elektrike nëse aplikojmë frekuenca radio ( për ESR) që korrespondojnë me energjinë rezonante të gjendjeve tona të rrotullimit. Prandaj emri rezonancë e spinit të elektronit”, shpjegoi Dr. Ast.

Ata demonstruan gjithashtu kontroll elektrik të drejtpërdrejtë të tranzicioneve të rrotullimit në dimerët e çiftuar të TiH, të cilët janë çifte molekulash TiH të lidhura së bashku. Kjo arritje u bë e mundur përmes bashkimit spin-elektroni, një fenomen ku rrotullimet e elektroneve ndërveprojnë me njëri-tjetrin. Kjo zbuloi potencialin për shfrytëzimin e sjelljes bashkëpunuese të gjendjeve të rrotullimit në këta dimerë.

Duke parë përpara për kërkimet e ardhshme, Dr. Ast shpjegoi se ekipi i tij kishte tashmë disa ide. “Në hulumtimin tonë, ne kemi zbuluar se ndryshimet në rezonancat e rrotullimit në lidhje me fushën elektrike i atribuohen dy faktorëve: ndryshimeve në fushën magnetike lokale dhe ndryshimeve në rrotullimin e molekulës.”

“Arsyet e sakta për këto ndryshime gjatë modifikimit të fushës elektrike mbeten pjesërisht të pashpjeguara, duke garantuar hetime të mëtejshme. Ky efekt gjithashtu premton për përdorimin e tranzicionit të rrotullimit si sensorë për të zbuluar fushat elektrike lokale brenda molekulave komplekse,” përfundoi ai .

Ky hulumtim mund të hapë derën për atomet individuale që të shërbejnë si kubit spin në kompjuterët kuantikë, duke ofruar një alternativë më të shpejtë ndaj manipulimeve mekanike tradicionale. Aftësia për të kontrolluar rrotullimin lokalisht dhe me shpejtësi përmes mjeteve elektrike premton për aplikacionet e llogaritjes kuantike, ku shpejtësia është kritike për të parandaluar humbjen e informacionit për shkak të dekoherencës.