Wissenschaftler demonstrieren elektrische Kontrolle von atomaren Spin-Übergängen.

27. Oktober 2023 Merkmal

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von Tejasri Gururaj, Phys.org

Eine neue Studie, veröffentlicht in Nature Communications, widmet sich der Manipulation von spintronic transitions, die auf atomarer Skala stattfinden, mithilfe einer externen Spannung. Dies gibt Aufschluss über die praktische Umsetzung der Spin-Kontrolle auf der Nanoskala für Anwendungen im Bereich des Quantencomputings.

Spin-Übergänge auf atomarer Skala beinhalten Veränderungen in der Ausrichtung des intrinsischen Drehimpulses oder Spins eines Atoms. Im atomaren Kontext werden Spin-Übergänge in der Regel mit dem Verhalten von Elektronen in Verbindung gebracht.

In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher darauf, elektrische Felder zur Kontrolle der Spin-Übergänge einzusetzen. Der Grundstein für ihre Forschung war zufällig gelegt und aus Neugier getrieben.

Dr. Christian Ast, der Hauptautor vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, erklärte gegenüber Phys.org: „Unsere Inspiration entstand aus reiner Neugier. Wir entwickelten unsere Maschine und unsere experimentelle Methode kurz vor Beginn dieses Projekts.“

„Als wir unsere neue Experimentieranordnung charakterisiert haben, haben wir etwas Seltsames beobachtet. Wir stellten fest, dass sich unser Signal je nach der Bias-Spannung ändert, die wir in unserer Verbindung anwenden. Das Projekt und die darauf folgende Forschung entwickelten sich aus dieser Beobachtung.“

Elektronen besitzen einen intrinsischen Spin, der entweder „hoch“ oder „runter“ sein kann. Diese Spin-Zustände werden oft durch Quantenzahlen wie +1/2 für „hoch“ und -1/2 für „runter“ repräsentiert. Wenn Elektronen zwischen diesen Spin-Zuständen wechseln, kann dies zu verschiedenen beobachtbaren Effekten führen.

Die Manipulation dieser Spins ist grundlegend für das Quantencomputing, bei dem Elektronenspins als Qubits verwendet werden, sowie für Spintronik, die die Datenverarbeitung und -speicherung verbessert. Es hat auch Auswirkungen auf die Materialwissenschaft und die Grundlagenphysik und ermöglicht sowohl technologische als auch wissenschaftliche Fortschritte.

In dieser Studie war der experimentelle Aufbau entscheidend für die Manipulation der Spins. Im Mittelpunkt der Apparatur stand ein Elektronenspinresonanz-Rastertunnelmikroskop (ESR-STM). ESR-STM ist ein Hybrid-System, das zwei leistungsstarke Techniken nahtlos integriert: ESR und STM. Mit dieser innovativen Einrichtung wurden einzelne Atome und Moleküle präzise auf der Probenoberfläche abgelagert, was einen einzigartigen Einblick in die atomare Welt bietet.

Dr. Ast erklärte: „ESR-STM verbindet die Möglichkeiten von ESR und STM und ermöglicht es uns, sowohl einzelne Atome und Moleküle in einer topographischen Abbildung zu erkennen als auch sie mit einem elektrischen Strom zu untersuchen.“

In der Studie entschieden sich die Forscher dafür, einzelne Titanhydrid (TiH)-Moleküle zu untersuchen. Der Kern des Experiments beruhte auf der strategischen Anwendung einer Bias-Spannung zwischen der Probe und der Spitze des STM.

Durch die Anwendung dieser Bias-Spannung entstand ein starkes elektrisches Feld in der Tunnelverbindung, einem engen Spalt zwischen Spitze und Probe, durch den Elektronen tunneln können.

Die Forscher stellten fest, dass das erzeugte elektrische Feld die Position des TiH-Moleküls beeinflusste und folglich den g-Faktor veränderte. Der g-Faktor, oder Landé g-Faktor, repräsentiert das Verhältnis zwischen dem intrinsischen Drehimpuls oder Spin eines Elektrons und seinem magnetischen Moment und gibt Einblicke in sein Verhalten in einem magnetischen Feld.

Darüber hinaus stellten sie fest, dass das erzeugte elektrische Feld dazu führte, dass das TiH-Molekül mit einem einzigartigen Magnetfeld interagierte, das durch den polarisierten Spin der STM-Spitze induziert wurde.

Im Grunde erwies sich die Bias-Spannung als ein leistungsfähiges Werkzeug zur Manipulation von Spin-Übergängen.

Aufbauend auf diesem Wissen erforschten die Forscher weiterhin den Zeeman-Effekt. Der Zeeman-Effekt ist das Phänomen, bei dem sich die Energieniveaus der Elektronenspinzustände in einzelnen Molekülen in Anwesenheit eines Magnetfeldes aufspalten.

Dr. Ast erklärte: „Durch das Anlegen eines Magnetfeldes an unsere STM-Verbindung können wir die Energieniveaus der beiden Spin-Zustände in den einzelnen Molekülen aufspalten (Zeeman-Effekt). Von hier aus können wir Änderungen in unserem elektrischen Strom abfangen, wenn wir funkfrequente Signale anwenden (für ESR), die der resonanten Energie unserer Spin-Zustände entsprechen. Daher der Name Elektronenspinresonanz.“

Sie demonstrierten auch die direkte elektrische Kontrolle von Spin-Übergängen in gekoppelten TiH-Dimeren, die aus zwei TiH-Molekülen bestehen, die miteinander verbunden sind. Dies wurde durch Spin-Elektronen-Kopplung ermöglicht, ein Phänomen, bei dem die Spins der Elektronen miteinander interagieren. Dies zeigte das Potenzial, das kooperative Verhalten der Spin-Zustände in diesen Dimeren zu nutzen.

Looking ahead to future research, Dr. Ast explained that his team already had several ideas. 'In our research, we've discovered that changes in spin resonances concerning the electric field are attributed to two factors: variations in the local magnetic field and alterations in the molecule's spin.'

'The exact reasons for these changes when modifying the electric field remain partially unexplained, warranting further investigation. This effect also holds promise for utilizing spin transitions as sensors to detect local electric fields within complex molecules,' he concluded.

This research could open the door for individual atoms to serve as spin qubits in quantum computers, offering a faster alternative to traditional mechanical manipulations. The ability to control spin locally and swiftly through electrical means holds promise for quantum computing applications, where speed is critical to prevent information loss due to decoherence.

Journal information: Nature Communications

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