单自旋量子态的探测与控制

    根据半导体微电子学发展的摩尔定律的预测，信息存储单元的尺寸不断缩小，在不久的未来将达到几个纳米以下。传统的磁畴信息单元最终将有可能被以电子自旋为核心的新型单分子器件所取代。同时，在量子计算机研究领域中，以单个电子自旋量子态制备量子比特也一直被人们被寄予厚望。电子自旋极有可能发展成为未来信息学的基础，在单分子单原子尺度上实现对单个电子自旋的测量、控制、及其相干性调控目前已成为国际研究的热点之一。

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      电子自旋共振（ESR）是研究电子自旋最常用的实验手段，通过对ESR频谱的分析，可以了解原子及分子中电子自旋的详细状态、测量电子自旋与原子核自旋的相互作用、标记生物自旋探子、分析化学环境等。然而，在传统的ESR实验中，样品中的自旋中心至少要达到1010以上才能得到较清晰的信号或较高的信噪比，因而很难直接应用到单个自旋物理性质的研究中。

      扫描隧道显微镜（STM）由于可以实现对单个分子或原子的空间分辨、可以测量局域电子态密度并谱图成像、可以通过原子操纵构造原子阵列等，因此对于在微观尺度上测控单个自旋量子态具有无可比拟的优越性。扫描隧道显微镜和基于扫描隧道显微镜的自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）、电子自旋共振扫描隧道显微镜（ESR-STM）、共振磁力显微镜（MRFM）等是目前能够实现对单个自旋进行测控的主要手段。

      利用普通的扫描隧道显微镜研究单个自旋的主要办法是利用近藤效应（Kondo Effect）和非弹性电子隧道谱（IETS）。自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）是利用磁性针尖过滤隧道电流，使通常的隧道电流变成自旋极化的隧道电流，自旋极化的隧道电流与表面的磁结构相互作用，就可以探测到表面的磁极化信息。利用自旋极化的扫描隧道谱(SP-STS) 可进一步增强对微弱磁极化信息检测的灵敏度、同时利用非弹性隧道谱(IETS)可实现对表面自旋相关的激发态的探测。作为研究单个自旋结构的另一有力工具，电子自旋共振扫描隧道显微镜（ESR-STM）则是通过探测磁场中单个自旋拉莫尔进动所引起的电子自旋共振信号来探测单个自旋及其相干性质。ESR-STM的发展，使得有可能在测量电子自旋灵敏度上跨越10个数量级，实现对单个电子自旋结构的测量、控制、及对其相干性的调控。

图2

      本研究组目前正在开展基于低温超高真空扫描隧道显微镜的自旋测控研究，特别是发展自旋极化扫描隧道显微镜技术（SP-STM）和电子自旋共振扫描隧道显微镜技术（ESR-STM）。研究预期可实现对表面单个自旋体系的探测﹑控制﹑和量子相干性研究，由此揭示自旋量子态的物理规律。通过探索自旋量子态的极限测量、自旋相干时间测控、及自旋量子纠缠态的构造，为基于自旋量子比特的量子计算和量子信息研究提供物理基础。

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