電子與碳納米管間存在內在自旋—機械耦合

 

在高精度磁感應探測、量子計算機等方面，電子自旋都發揮著重要作用。據物理學家組織網近日報導，德國康斯坦茨大學科學家從理論上研究了將電子自旋和碳納米管量子點耦合在一起的可能性，結果顯示，碳納米管機械振動會極大影響它所捕獲電子的自旋狀態，而碳納米管本身也會受到電子自旋的影響。研究人員指出，發現這種內在的強自旋—機械耦合對研究磁性與物質納米傳感器、量子計算及其他納米應用設備具有重要意義。相關論文發表在近日出版的《物理評論快報》上。

 

研究人員從理論上讓自旋軌道和碳納米管量子點耦合在一起。在論文中，他們設想把一段碳納米管懸置在一個溝槽上，讓納米管發揮聲子腔的功能。而後通過一種類似於天線的形式從外部接近共振器來促發共振，將電荷和碳納米管耦合在一起，碳納米管由於固有的硬度而按照自身頻率振動起來。通過檢測其振幅，就能檢測出代表耦合的理想自旋態。

 

該校物理系教授蓋多·博卡德解釋說，即使接近絕對零度（-273.15攝氏度），溫度也會對系統行為造成影響。此外，系統退相干還受聲子放射（一種量子化的聲波放射）的影響，使自旋鬆弛。在原子—光量子系統中，自旋鬆弛就像是自發放出一個光子，但原子自發放射可以用光腔來抑制，光腔具有強耦合機制，能讓光子在消失之前，在足夠長的光腔中被吸收、放射許多次。

 

「這就是納米機械共振的概念。」博卡德解釋說，「在我們的研究中，碳納米管作為聲子腔能產生與此類似的效應。如果共振器模型與自旋反轉所需的塞曼能量相共振，量子信息就會在自旋和聲子之間來迴轉移；如果不共振，自旋量子比特的壽命就會得到延長。而後者也是量子信息處理器所要研究的。」

 

該研究的重要影響還在於它能提高納米管在傳感應用方面的性能。博卡德說，磁感應是以電子自旋對外部磁場的敏感度為基礎的。當電子自旋和機械共振器（比如振動碳納米管，通過對電子的限定而攜帶一個電荷）耦合時，可以用電學方法讀取這一信號。反之，當一個小物體放在共振器上時，其共振頻率會發生變化，頻率變化又會影響自旋，可以通過一種自旋感應電傳檢測設備讀取。物質感應探測就是利用了這種頻率變化。

 

研究人員表示，他們正在考慮下一步把該研究用於量子信息處理過程，讓自旋發揮量子比特作用。「量子力學的一個基本問題是它能適用於多大的物體，讓該物體保持在量子疊加狀態。我們知道，電子和單個原子有量子性質，而我們日常生活中的宏觀物體卻沒有。問題是我們能在多大程度上應用量子法則。」博卡德說，「我們的研究是在單個電子自旋和一個較大物體的機械運動之間生成量子糾纏，這一結果有望在自旋讀取研究、新的量子相干、自旋—自旋耦合機制等方面打開新的大門。」（來源：科技日報 常麗君）

 

 

 

 

 

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