《自然通訊》重磅：原子自旋量子干涉的電學調控

相干控制物質的量子態(tài)的能力，是現代量子技術（包括量子計算和量子模擬）的基石。實現這種控制的關鍵要素是對量子干涉現象的精確操縱，尤其是在避免的能級交叉點附近。這些交叉點通常受朗道-齊納-斯蒂克爾伯格-馬約拉納（LZSM）機制支配，對于快速可靠的狀態(tài)操縱至關重要。雖然量子干涉在軌道系統(tǒng)中得到了廣泛研究，但在表面原子級自旋系統(tǒng)——它們有望提供更長的相干時間——中實現可調諧的量子干涉，長期以來一直是一個主要障礙。然而，發(fā)表在《自然通訊》的論文成功展示了表面原子自旋中 LZSM 量子干涉的全電學控制，標志著朝著可擴展的固態(tài)量子處理器邁出了重要一步。

量子干涉和避免交叉的關鍵作用

在量子力學中，干涉源于量子路徑的疊加。當一個量子系統(tǒng)被驅動穿過一個避免的能級交叉點時，其狀態(tài)演化由 LZSM 機制描述。這個過程涉及兩個能級之間的躍遷，它們的間隔被周期性地調制。當系統(tǒng)穿過交叉點時，量子態(tài)有“隧道穿梭”到另一個能級的有限概率（朗道-齊納躍遷）。

至關重要的是，如果系統(tǒng)被來回驅動，狀態(tài)可以遵循多條路徑。每條路徑上積累的相位差——動力學相位和幾何（貝里）相位的組合——決定了這兩條路徑是相長干涉還是相消干涉。這導致了獨特的 LZSM 干涉圖樣，它為系統(tǒng)的能級圖景及其與外部環(huán)境的耦合提供了一個靈敏的探針。

控制這種干涉圖樣等同于控制量子態(tài)本身。對于實用的量子計算而言，這種控制必須是快速、精確且電學可尋址的，以便與傳統(tǒng)電子器件集成。

突破：利用 STM 和電場

實現電可調量子干涉的研究，通過將掃描隧道顯微鏡（STM）的原子精度與 LZSM 干涉測量技術相結合，克服了局部、相干控制的挑戰(zhàn)。該裝置通常涉及一個放置在絕緣薄膜上的單個磁性原子，絕緣薄膜的作用是將原子自旋與導電基底解耦，從而延長其相干時間。

關鍵創(chuàng)新在于使用 STM 隧道結偏置電壓(Vbias)來調制自旋的能級。通過在隧道結上施加一個隨時間變化的電壓，研究人員實現了雙重操縱：

1. 電場對磁相互作用的調制：STM 尖端和表面原子之間強大、局域的電場直接調制了尖端自旋和表面原子自旋之間原子級受限的磁相互作用。正是這種磁相互作用造成了避免交叉點的能級分裂。通過調節(jié)電壓，研究人員有效地調節(jié)了能隙大小，從而調制了能級。
2. 驅動穿過反交叉點：通過施加隨時間變化（通常是正弦波）的Vbias，能級間隔被周期性地驅動，導致自旋態(tài)重復且快速地穿過避免的能級反交叉點。這驅動了 LZSM 循環(huán)。

隨后，利用自旋極化 STM 尖端對結果量子干涉進行磁電阻檢測，測量與自旋態(tài)布居變化相對應的隧道電流變化。

觀測特征與物理見解

實驗得到了豐富而復雜的LZSM干涉譜，揭示了幾個重要的物理見解：

• 1. 多光子共振和干涉圖樣

LZSM 圖樣表現出明顯的多光子共振，這是一個強驅動量子系統(tǒng)的特征。觀測到的干涉條紋是自旋態(tài)在周期性驅動過程中可以遵循的不同路徑之間量子干涉的直接體現。測量和繪制這些條紋的能力表明，在電學操縱過程中保持了高度的相干性。

• 2. 自旋轉移力矩（STT）的作用

一個特別引人注目的特征是 LZSM 干涉圖樣中觀察到的不對稱性。這種不對稱性歸因于能級調制（期望的 LZSM 效應）與隧道電子的自旋轉移力矩（STT）之間的競爭。

• LZSM 干涉是由能級調制驅動的完全相干過程。
• 自旋轉移力矩是一個非相干過程，隧道電子將角動量傳遞給原子自旋，引起非絕熱躍遷。

觀測到的不對稱性提供了對隧道電流影響自旋動力學的定量測量，這對于優(yōu)化器件操作、在保持電學控制的同時最小化退相干至關重要。

• 3. 耦合自旋中的多體效應

該技術不限于單自旋。通過組裝和研究相互作用的自旋對，研究人員將 LZSM 干涉測量擴展到了多體狀態(tài)。耦合自旋的多能級 LZSM 譜顯示出獨特的干涉圖樣，這些圖樣高度依賴于它們的多體能級圖景。此外，由于自旋之間的磁耦合也由局部環(huán)境（以及尖端的影響）介導，電可調性可以擴展到控制相互作用強度本身。這種能力——用電場控制單自旋動力學和自旋間耦合——是實現表面雙量子比特操作的關鍵一步。

基于自旋的量子處理器的未來展望

表面原子自旋電可調量子干涉的演示是固態(tài)量子信息處理的一個范式轉變。

• 全電學量子操縱：整個過程由電信號驅動，消除了通常進行電子自旋共振（ESR）技術所需的大型、高頻磁場或微波天線。這完全符合創(chuàng)建集成化、可擴展量子電路的目標。
• 高相干性和可尋址性：絕緣表面上的原子自旋提供了天然的長相干時間，而 STM 平臺則提供了用于單個量子比特尋址和組裝的極限空間分辨率。
• 量子比特操作的基石：LZSM 干涉本身可以被視為一種量子門，特別是一種高度相干的單量子比特旋轉。調節(jié)干涉圖樣的能力意味著研究人員已經實現了對量子態(tài)的基本控制，為設計和實現更復雜的量子邏輯門鋪平了道路。

總而言之，這項研究成功地彌合了原子尺度物理學與實用量子控制之間的鴻溝。通過利用 STM 的精細精度和電場的力量來操縱量子路徑，它為構建下一代快速、相干和高度集成的基于自旋的量子處理器奠定了堅實的基礎。