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Nature：用新型显微镜探测单电子的量子态
光子盒研究院
电子自旋共振是研究化合物结构的标准方法，也可用于控制量子自旋态。将电子自旋共振与原子力显微镜相结合，可以操纵单分子中的单个自旋：这在量子计算和其他领域具有潜在的应用前景。
现在，德国雷根斯堡大学的物理学家找到了一种利用原子分辨率显微镜操纵单个电子量子态的方法，研究结果现已发表在《自然》杂志上。
利用这种显微镜，人们甚至可以对分子的内部结构进行成像。虽然可以通过这种方式观察分子，但这并不意味着可以了解分子的所有特性。例如，要确定分子由哪种原子组成已经非常困难。
幸运的是，还有其他工具可以确定分子的组成。其中之一就是电子自旋共振（ESR），其原理与医学中的核磁共振扫描仪类似。不过，在电子自旋共振中，通常需要无数个分子才能获得足够大的可探测信号。通过这种方法，人们无法获得每个分子的特性，只能获得它们的平均值。
电子自旋共振是光谱表征化学物质的关键工具。它依靠共振改变电子的自旋状态（自旋是电子的固有量子特性），该技术还可用于控制这些量子态，并与量子计算、量子传感和其他领域相关。
为了获得可检测到的信号，ESR通常检测大量（至少10^10个）分子的平均响应。这与扫描探针显微镜（SPM）形成鲜明对比，后者使用原子尖锐的针尖来感应样品表面：SPM可以生成单个原子和分子的图像，甚至可以随意将它们移动到所需的纳米结构中。
将这两种技术结合起来，就能将量子态操纵与单个原子和分子的存取结合起来，几十年来一直是一个令人感兴趣的前景。
现在，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雅舍·雷普（Jascha Repp）教授博士的领导下，已将电子自旋共振技术融入到原子力显微镜中。
但是，扫描隧道显微镜依赖于在系统中运行电流，这意味着被研究的单个自旋会受到数百万其他通过电子的自旋的扰动。这就破坏了单个自旋的量子相干性：换句话说，破坏了其量子态所包含的信息。
如果能够避免扰动电流，量子态就能在更长的时间内保持其相干性，从而为量子计算等应用带来好处。
操纵自旋需要一个振荡射频磁场。为此，科学家们在样品中安装了一个微型导体，并通过该微带发送射频电流以产生振荡磁场。当实验团队将单个分子沉积在导体上，并用绝缘层隔开时，发现确实可以通过测量三重态（triplet state）寿命来探测ESR信号。
这些ESR信号非常尖锐，即使是电子自旋与分子原子核之间的微小耦合，也能通过信号形状的变化观察到。因此，科学家可以很容易地区分那些仅在同位素组成上存在差异的分子——这一点仅靠SPM是很难实现的。
这项研究的第一作者利萨娜·塞利斯（Lisanne Sellies）补充说：“我们甚至可以分辨出那些在原子类型上没有差异，而只是在同位素，即原子核的组成上有差异的分子。”
“然而，我们更感兴趣的是电子自旋共振带来的另一种可能性。这项技术可以用来操作分子中电子的自旋量子态。”雷普教授说。
科学家可以操纵电子自旋从一种量子态到另一种量子态，再返回到另一种量子态。在信号最终衰减之前，团队观测到了许多周期的这种循环，即所谓的拉比振荡。
这表明，量子态在数十微秒的时间段内都能保持其特性，即保持相干性。
鉴于显微镜技术可以对分子的各个周围环境进行成像，这种新开发的方法可能有助于理解量子计算机中的退相干如何受到原子级环境的影响，以及最终如何防止它。
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-12-microscope-quantum-state-electrons.html#google_vignette[2]https://www.nature.com/articles/d41586-023-03650-x[3]https://www.azooptics.com/News.aspx?newsID=28517
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