Gli scienziati dimostrano il controllo elettrico delle transizioni di spin atomico.

27 ottobre 2023 caratteristica

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a cura di Tejasri Gururaj, Phys.org

Uno studio pubblicato su Nature Communications indaga sulla manipolazione di transizioni di spin a livello atomico utilizzando una tensione esterna, gettando luce sull'implementazione pratica del controllo di spin su scala nanometrica per applicazioni di elaborazione quantistica.

Le transizioni di spin a livello atomico coinvolgono cambiamenti nell'orientamento del momento angolare intrinseco o spin di un atomo. Nel contesto atomico, le transizioni di spin sono generalmente associate al comportamento degli elettroni.

In questo studio, i ricercatori si sono concentrati sull'utilizzo di campi elettrici per controllare le transizioni di spin. La base della loro ricerca è stata casuale e mosso dalla curiosità.

Il dottor Christian Ast, autore principale del Max-Planck-Institute for Solid State Research, ha spiegato a Phys.org: "La nostra ispirazione è nata dalla pura curiosità. Abbiamo sviluppato la nostra macchina e il metodo sperimentale proprio prima di iniziare questo progetto."

"Mentre stavamo caratterizzando il nostro nuovo esperimento, abbiamo osservato qualcosa di strano. Abbiamo scoperto che il nostro segnale cambia a seconda della tensione di bias che applichiamo alla nostra giunzione. Il progetto e la ricerca successiva sono cresciuti da questa osservazione."

Gli elettroni possiedono uno spin intrinseco, che può essere "su" o "giù". Questi stati di spin sono spesso rappresentati da numeri quantici, come +1/2 per "su" e -1/2 per "giù". Quando gli elettroni passano da uno stato di spin all'altro, possono manifestarsi vari effetti osservabili.

La manipolazione di questi spin è fondamentale per l'informatica quantistica, dove gli spin degli elettroni vengono utilizzati come qubit, e per la spintronica, che migliora l'elaborazione e lo stoccaggio dei dati. Ha anche un impatto sulla scienza dei materiali e sulla fisica fondamentale, fornendo avanzamenti sia tecnologici che scientifici.

in questo studio, l'apparato sperimentale è stato cruciale per manipolare gli spins. Al centro dell'apparato c'era un microscopio ad effetto tunnel di risonanza magnetica dell'elettrone (ESR-STM). L'ESR-STM è un sistema ibrido che integra in modo perfetto due potenti tecniche: l'ESR e lo STM (Microscopia a Scansione a Effetto Tunnel). Con questa innovativa configurazione, atomi e molecole singole sono state depositate con precisione sulla superficie del campione, offrendo una finestra unica sul mondo atomico.

Il dottor Ast ha spiegato: "L'ESR-STM combina le capacità dell'ESR e dello STM, consentendoci di risolvere sia atomi che molecole singole in una scansione topografica e di sondarli con una corrente elettrica."'

Per il campione, i ricercatori hanno scelto di studiare singole molecole di idruro di titanio (TiH). Il cuore dell'esperimento si basava sull'applicazione strategica di una tensione di bias tra il campione e la punta dello STM.

L'applicazione di questa tensione di bias ha indotto un potente campo elettrico all'interno della giunzione a effetto tunnel, uno spazio ristretto formatosi tra la punta e il campione, in cui gli elettroni possono effettuare il passaggio a effetto tunnel.

I ricercatori hanno notato che il campo elettrico indotto ha influenzato la posizione della molecola di TiH, modificando successivamente il fattore g. Il fattore g, o fattore g di Landé, rappresenta la proporzionalità tra il momento angolare intrinseco, o spin, di un elettrone e il suo momento magnetico, fornendo informazioni sul suo comportamento in un campo magnetico.

Inoltre, hanno notato che il campo elettrico indotto ha comportato l'interazione della molecola di TiH con un campo magnetico unico, indotto dallo spin polarizzato della punta dello STM.

In sostanza, la tensione di bias è emersa come uno strumento potente per la manipolazione delle transizioni di spin.

Forte di queste conoscenze, i ricercatori hanno proseguito nell'esplorazione dell'effetto Zeeman. L'effetto Zeeman è il fenomeno in cui i livelli energetici degli stati di spin degli elettroni in singole molecole si separano in presenza di un campo magnetico.

Dr. Ast ha spiegato: "Applicando un campo magnetico alla nostra giunzione STM, possiamo separare i livelli energetici dei due stati di spin nelle singole molecole (effetto Zeeman). Da qui, siamo in grado di rilevare i cambiamenti nella nostra corrente elettrica se applichiamo frequenze radio (per l'ESR) che corrispondono all'energia di risonanza dei nostri stati di spin. Da qui il nome di risonanza magnetica dell'elettrone."

Hanno inoltre dimostrato il controllo elettrico diretto delle transizioni di spin in dimeri accoppiati di TiH, che sono coppie di molecole TiH legate tra loro. Questo risultato è stato reso possibile attraverso l'accoppiamento spin-elettrone, un fenomeno in cui gli spin degli elettroni interagiscono tra loro. Ciò ha rivelato il potenziale per sfruttare il comportamento cooperativo degli stati di spin in questi dimeri.

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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