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2024-06-20 19:44:26
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了解です！左：絶縁層（青）上の単一のペンタセン分子（黄色）。右：スピンが平行に並んだ電子（小さな矢印）がタングステンの先端（上）から分子（下）へとトンネルします。クレジット：ETH Zürich / Aishwarya Vishwakarma および Stepan Kovarik
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左: 絶縁層 (青) 上の単一のペンタセン分子 (黄色)。右: スピンが平行に並んだ電子 (小さな矢印) がタングステンの先端 (上) から分子 (下) へとトンネルします。クレジット: ETH チューリッヒ / Aishwarya Vishwakarma および Stepan Kovarik
ETH チューリッヒの研究者らは、単一電子スピンの量子状態は、スピンが均一に整列した電子の電流によって制御できることを示した。将来的には、この手法は電子回路素子に利用される可能性がある。
電子は 固有角運動量いわゆるスピンは、 磁場電子回路における電子の挙動を決定する電荷に加え、電子のスピンはデータの保存と処理にますます利用されるようになっています。
すでに、MRAMメモリ素子（磁気ランダムアクセスメモリ）を購入することができます。これは、非常に小さいながらも古典的な磁石に情報を保存するもので、非常に多くの 電子スピンMRAM は、平行に並んだスピンを持つ電子の流れに基づいており、物質内の特定の点の磁化を変化させることができます。
ピエトロ・ガンバルデッラとチューリッヒ工科大学の共同研究者らは、このようなスピン偏極電流が単一電子スピンの量子状態を制御するためにも使用できることを示した。 出版された サイエンス誌に掲載されたこの研究は、将来的には量子ビット（キュービット）の量子状態の制御など、さまざまな技術に利用される可能性があるという。
単一分子におけるトンネル電流
「従来、電子スピンは無線周波数波やマイクロ波などの電磁場を使用して操作されています」とガンバルデッラ研究室の上級科学者セバスチャン・ステパノウ氏は言う。電子常磁性共鳴としても知られるこの技術は、1940年代半ばに開発され、それ以来、材料研究、化学、生物物理学などのさまざまな分野で使用されてきた。
「数年前、単一原子で電子常磁性共鳴を誘発できることが実証されましたが、これまでのところ、その正確なメカニズムは不明でした」とステパノウ氏は言う。
このメカニズムの背後にある量子力学的プロセスをより詳しく研究するために、研究者らは銀基板上にペンタセン（芳香族炭化水素）の分子を準備しました。基板上には、あらかじめ酸化マグネシウムの薄い絶縁層が堆積されていました。この層により、分子内の電子が自由空間内とほぼ同様に振る舞うことが保証されます。
研究者たちはまず走査トンネル顕微鏡を使って分子内の電子雲の特徴を調べました。これは、電子が量子力学的にタングステン針の先端から分子までトンネルを通ったときに生じる電流を測定することです。古典物理学の法則によれば、電子は必要なエネルギーが不足しているため、針の先端と分子の間の隙間を飛び越えることはできません。しかし量子力学では、その不足にもかかわらず電子が隙間を「トンネル」通ることができ、測定可能な電流につながります。
実験用のサンプルが作られる真空チャンバーの前に立つ博士課程の学生ステパン・コヴァリック。写真提供：D-MATL / キリアン・ディートリッヒ、マリア・フェオフィロワ、ハサン・バイサル
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実験用のサンプルが作られる真空チャンバーの前に立つ博士課程の学生ステパン・コヴァリック。写真提供：D-MATL / キリアン・ディートリッヒ、マリア・フェオフィロワ、ハサン・バイサル
針の先端に付いた小型磁石
このトンネル電流は、まずタングステンの先端を使って絶縁層上にある鉄原子をいくつか拾い上げることでスピン偏極させることができます。先端では、鉄原子が一種の小型磁石を形成します。トンネル電流がこの磁石を流れると、電流内の電子のスピンはすべてその磁化と平行に並びます。
研究者たちは、磁化されたタングステンの先端に定電圧と高速振動電圧を印加し、その結果生じるトンネル電流を測定しました。両電圧の強度と振動電圧の周波数を変えることで、トンネル電流の特徴的な共鳴を観察することができました。これらの共鳴の正確な形状から、トンネル電子と分子の電子の間で発生したプロセスについて結論を導き出すことができました。
偏極電流による直接スピン制御
ステパノウ氏と同僚たちは、データから 2 つの知見を得ることができました。1 つは、ペンタセン分子内の電子スピンが、通常の電子常磁性共鳴と同じように、交流電圧によって生成された電磁場に反応したことです。もう 1 つは、共鳴の形状から、分子内の電子スピンにも影響を与える追加のプロセスがあることが示唆されました。
「このプロセスはいわゆるスピントランスファートルクであり、ペンタセン分子は理想的なモデルシステムです」と博士課程のステパン・コヴァリックは言う。スピントランスファートルクは、スピン偏極の影響下で分子のスピンが変化する効果である。 現在 ETH の研究者らは、この方法で分子スピンの量子力学的重ね合わせ状態を作り出すことも可能であることを実証しました。このような重ね合わせ状態は、例えば量子技術で使用されています。
「量子レベルでのスピン偏極電流によるこのスピン制御は、さまざまな応用の可能性を切り開きます」とコヴァリック氏は言う。電磁場とは対照的に、スピン偏極電流は非常に局所的に作用し、1ナノメートル未満の精度で制御できる。このような電流は、量子デバイスの電子回路要素を非常に正確に制御するために使用でき、たとえば磁気キュービットの量子状態を制御することができる。
詳しくは：
Stepan Kovarik他「ペンタセン分子内の単一スピンのスピントルク駆動型電子常磁性共鳴」、Science (2024)。 DOI: 10.1126/science.adh4753
ジャーナル情報:
科学
#量子状態を操作する別の方法