Реализовано электронное считывание одиночного ядерного спина

Физики из Франции Германии экспериментально реализовали электронное считывание одиночного ядерного спина в устройстве, аналогичном транзистору.

Спины электронов и ядер, возможно, будут использоваться для представления информации в квантовом компьютере. К недостаткам электронов относят то, что они, активно взаимодействуя со средой, серьёзно ограничивают время когерентности — длительность промежутка, на котором кубит сохраняет заданные квантовые свойства. Ядра, напротив, очень хорошо изолированы от среды, но это естественным образом осложняет адресацию и манипулирование их спинами.

Поскольку кубиты, построенные на основе ядерных спинов, всё же кажутся более перспективными, учёные вынуждены разрабатывать комплексные схемы адресации, одну из которых мы недавно рассматривали. В ней задействованы единичные атомы углерода-13, находящиеся в искусственном кристалле алмаза миллиметровых размеров с повышенным до 99,99% содержанием изотопа ¹²С. Состояние ядерного спина углерода-13 задавалось и считывалось посредством связанного с ним электронного спина, носителем которого стал NV-центр (азотно-замещённая вакансия — точечный дефект алмаза, возникающий при удалении атома углерода из узла решётки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота, который замещает углерод в соседнем узле), расположенный в 1–2 нм от ¹³С.

Одномолекулярный магнит и золотые электроды (иллюстрация C. Grupe, KIT).

Авторы нашли чуть более технологичную методику считывания, основанную на использовании одномолекулярного магнита. Этим термином обозначают соединения, при определённой (низкой) температуре демонстрирующие устойчивую намагниченность чисто молекулярной природы.

В «сердце» магнита находился металл (тербий), окружённый множеством атомов углерода, азота, водорода и кислорода. К этой металлорганической конструкции физики подвели наноразмерные золотые электроды, получив полный аналог транзистора. Когда рабочая точка была выбрана, транзистор помещали в переменные магнитные поля, и переориентации ядерного спина Tb фиксировались по токовому сигналу.

«Измеряя ток, мы выяснили, что ядерный спин атома металла стабилен на временнóм промежутке длительностью до 20 секунд, — рассказывает участник исследования Марио Рубен (Mario Ruben) из Технологического института Карлсруэ. — Для квантовомеханических процессов — очень продолжительное время».

Полный вариант отчёта об экспериментах с одномолекулярным магнитом опубликован в свежем номере Nature.

Подготовлено по материалам Технологического института Карлсруэ.