用高分辨率显微镜控制电子量子态
发布时间：2023-12-07 22:00:04 阅读数： 16
雷根斯堡大学的研究人员发现了一种利用高分辨率原子显微镜控制单个电子量子态的技术。
研究成果已正式发表在备受推崇的《自然》杂志上。周围的一切，包括我们自己，都是由分子组成的。这些分子非常微小，即使是一粒微尘也包含着大量的分子。
电子自旋共振融入原子力显微镜的艺术插图。底部的白色结构代表单个分子，箭头代表其自旋量子态，波浪线代表电子自旋共振所需的射频磁场，原子力显微镜的尖端可检测到电子自旋共振。图片来源：Eugenio Vázquez.
更令人感兴趣的是，现代科技可以让人们利用原子力显微镜准确地观察到这些分子。与光学显微镜不同，原子力显微镜的工作原理是感应尖端与被测分子之间的微小作用力。
这种技术可以对分子的内部结构进行成像。然而，通过这种方式观察分子并不能全面了解其所有不同的特性。例如，确定组成分子的原子类型已经是一项极具挑战性的任务。
幸运的是，有其他工具可用于破译分子的组成。其中一种方法是电子自旋共振，它与医学核磁共振扫描仪采用的原理相似。
在电子自旋共振中，通常需要大量分子才能产生可检测到的信号。因此，这种方法只能获得分子平均特性的信息，而不能获得每个分子的信息。
雷根斯堡大学的研究人员在雷根斯堡大学实验和应用物理研究所的 Jascha Repp 教授博士的领导下，将电子自旋共振与原子力显微镜相结合，迈出了重要的一步。
值得注意的是，电子自旋共振是通过显微镜的尖端直接检测到的，产生的信号来自单个分子。这一突破使单个分子的表征得以逐一实现，从而有助于直接确定构成成像分子的原子。
我们甚至可以分辨出在原子类型上没有差异的分子，而只是在同位素，即原子核的组成上有差异。
利萨娜-塞利斯，研究第一作者，雷根斯堡大学
"雷普博士解释说："然而，我们对电子自旋共振带来的另一种可能性更加感兴趣：这种技术可以用来操作分子中电子的自旋量子态。
量子计算机存储和处理以量子态编码的信息。要在量子计算机上执行计算，就必须在操作量子态的同时不因所谓的退相干而导致信息丢失。
雷根斯堡的研究人员证明，他们的创新技术能够在发生退相干之前多次操纵单个分子中自旋的量子态。
鉴于显微镜技术可以对分子的单个周围环境进行成像，这种新开发的方法有助于理解量子计算机中的退相干是如何受原子尺度环境影响的，以及最终如何防止退相干。
该项目获得了欧洲研究理事会协同基金MolDAM（编号：951519）和德国研究基金会（编号：RE2669/6-2）的资助。
期刊参考：
Sellies, L., et al. (2023) Single-molecule electron spin resonance by means of atomic force microscopy.Nature. doi.org/10.1038/s41586-023-06754-6.
