SciTechDaily

ניקולס

קוויביטים מגנטיים: מדענים מפתחים דרך חדשה לתפעל מדינות קוונטיות

חוקרים ב-ETH ציריך, בראשות פייטרו גמברדלה, פיתחו שיטה לשלוט במצבים הקוונטיים של ספינים של אלקטרונים בודדים באמצעות זרמים מקוטבים בספין, שיכולים לשפר את טכנולוגיות המחשוב הקוונטי. טכניקה חדשה זו מציעה שליטה מדויקת יותר, מקומית בהשוואה לשיטות מסורתיות המשתמשות בשדות אלקטרומגנטיים, מה שעשוי לשפר את המניפולציה של מצבים קוונטיים במכשירים כמו קיוביטים. קרדיט: twoday.co.il.com

חוקרי ETH ציריך הראו כיצד זרמים מקוטבים בספין יכולים לשלוט במדויק על מצבים קוונטיים בספינים של אלקטרונים, ומציעים שיטה חדשה למניפולציה של ביטים קוונטיים במחשוב מתקדם.

לאלקטרונים יש מומנטום זוויתי מהותי המכונה ספין, המאפשר להם להתיישר עם שדה מגנטי, בדומה לאופן שבו פועלת מחט מצפן. מלבד המטען החשמלי שלהם, המשפיע על התנהגותם במעגלים אלקטרוניים, הספין של אלקטרונים מנוצל יותר ויותר לאחסון ועיבוד נתונים.

כבר עכשיו, אפשר לקנות רכיבי זיכרון MRAM (זכרונות גישה אקראית מגנטית), שבהם המידע מאוחסן במגנטים קטנים מאוד אך עדיין קלאסיים – כלומר מכילים הרבה מאוד ספינים אלקטרונים. ה-MRAM's מבוססים על זרמים של אלקטרונים עם ספינים מיושרים במקביל שיכולים לשנות את המגנטיזציה בנקודה מסוימת בחומר.

פייטרו גמברדלה ומשתפי הפעולה שלו ב-ETH ציריך מראים כעת שניתן להשתמש בזרמים מקוטבי ספין כאלה גם כדי לשלוט על המצבים הקוונטיים של ספינים של אלקטרונים בודדים. התוצאות שלהם, שהתפרסמו זה עתה בכתב העת המדעי מַדָעיוכל לשמש בטכנולוגיות שונות בעתיד, למשל בבקרת מצבים קוונטיים של סיביות קוונטיות (קיוביטים).

זרמי מנהרה במולקולות בודדות

"באופן מסורתי, ספינים אלקטרונים מטופלים באמצעות שדות אלקטרומגנטיים כמו גלי רדיו או גלי מיקרו", אומר סבסטיאן סטפנוב, מדען בכיר במעבדה של גמברדלה. טכניקה זו, המכונה גם תהודה פרמגנטית אלקטרונית, פותחה כבר באמצע שנות ה-40 ומאז נעשה בה שימוש בתחומים שונים כמו חקר חומרים, כימיה וביופיזיקה. "לפני כמה שנים, הוכח שאפשר לגרום לתהודה פרמגנטית אלקטרונית באטומים בודדים; עם זאת, עד כה המנגנון המדויק לכך לא היה ברור", אומר סטפנוב.

מולקולות צהובות פנטאצנים על שכבה כחולה, מנהרת אלקטרונים מהקצה

משמאל: מולקולות פנטאצן בודדות (צהוב) על שכבת הבידוד (כחול). מימין: אלקטרונים עם ספינים מיושרים במקביל (חצים קטנים) מנהרה מקצה הטונגסטן (למעלה) למולקולה (למטה). קרדיט: ETH ציריך / Aishwarya Vishwakarma und Stepan Kovarik

כדי לחקור את התהליכים המכאניים הקוונטיים שמאחורי מנגנון זה מקרוב יותר, הכינו החוקרים מולקולות של פנטאצן (פחמימן ארומטי) על מצע כסף. שכבת בידוד דקה של תחמוצת מגנזיום הופקדה בעבר על המצע. שכבה זו מבטיחה שהאלקטרונים במולקולה מתנהגים פחות או יותר כפי שהיו מתנהגים בחלל הפנוי.

באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק, אפיינו החוקרים לראשונה את ענני האלקטרונים במולקולה. זה מרמז על מדידת הזרם שנוצר כאשר האלקטרונים עוברים מנהרת קוונטית מכנית מקצה מחט טונגסטן אל המולקולה. לפי חוקי הפיזיקה הקלאסית, האלקטרונים לא אמורים להיות מסוגלים לדלג על הפער בין קצה המחט למולקולה מכיוון שחסרה להם האנרגיה הדרושה. מכניקת הקוונטים, לעומת זאת, מאפשרת לאלקטרונים "לעבור" דרך הפער למרות החוסר הזה, מה שמוביל לזרם הניתן למדידה.

מגנט מיניאטורי על קצה מחט

ניתן לקטב את זרם המנהרה הזה על ידי שימוש תחילה בקצה הטונגסטן כדי לקלוט כמה אטומי ברזל, שנמצאים גם הם על שכבת הבידוד. בקצה, אטומי הברזל יוצרים מעין מגנט מיניאטורי. כאשר זרם מנהרה זורם דרך מגנט זה, הספינים של האלקטרונים בזרם כולם מתיישרים במקביל למגנטיות שלו.

כעת, החוקרים הפעילו מתח קבוע כמו גם מתח מתנודד מהיר על קצה הטונגסטן הממוגנט, והם מדדו את זרם המנהרה שהתקבל. על ידי שינוי החוזק של שני המתחים ותדירות המתח המתנודד, הם הצליחו לראות רזוננסים אופייניים בזרם המנהרה. הצורה המדויקת של הרזוננסים הללו אפשרה להם להסיק מסקנות לגבי התהליכים שהתרחשו בין האלקטרונים המנהרים לאלו של המולקולה.

בקרת ספין ישירה על ידי זרמים מקוטבים

מהנתונים, סטפנוב ועמיתיו הצליחו לדלות שתי תובנות. מצד אחד, האלקטרון ספינים במולקולת הפנטאצן הגיבו לשדה האלקטרומגנטי שנוצר על ידי מתח החילופין באותו אופן כמו בתהודה פרמגנטית אלקטרונית רגילה. מצד שני, צורת התהודה העלתה שיש תהליך נוסף שהשפיע גם על הספינים של האלקטרונים במולקולה.

"תהליך זה הוא מה שנקרא מומנט העברת ספין, שעבורו מולקולת הפנטאצן היא מערכת מודל אידיאלית", אומר דוקטורנט סטפן קובריק. מומנט העברת ספין הוא אפקט שבו הספין של המולקולה משתנה בהשפעת זרם מקוטב ספין ללא פעולה ישירה של שדה אלקטרומגנטי. חוקרי ה-ETH הוכיחו כי ניתן גם ליצור מצבי סופרפוזיציה קוונטיים של הספין המולקולרי בדרך זו. מצבי סופרפוזיציה כאלה משמשים, למשל, בטכנולוגיות קוונטיות.

"בקרת ספין זו על ידי זרמים מקוטבים בספין ברמה הקוונטית פותחת יישומים אפשריים שונים", אומר קובריק. בניגוד לשדות אלקטרומגנטיים, זרמים מקוטבים בספין פועלים באופן מקומי מאוד וניתן לכוון אותם בדיוק של פחות מננומטר. ניתן להשתמש בזרמים כאלה כדי לטפל באלמנטים של מעגלים אלקטרוניים במכשירים קוונטיים בצורה מדויקת מאוד וכך, למשל, לשלוט במצבים הקוונטיים של קיוביטים מגנטיים.

ניקולס