稀土再建奇功：電場對自旋的高效相干操控

麥克斯韋方程統一了電與磁，今天的眾多科技應用也都基於這套基本理論。然而即便如此，一百多年後的今天，想在固體材料中實現電與磁的有效耦合仍然充滿挑戰。這主要是由於磁性質來源於材料的電子自旋運動，而電性質則源於材料的電子軌道運動，兩種相對獨立的運動模式導致大部分材料中難以觀測到磁電耦合現象，也難以實現磁電交叉控制——用外部磁場調控材料中的電子軌道行為，或者用電場調控材料中的電子自旋。

另一方面，在新興的量子計算、量子精密測量等領域中，用電場對電子自旋進行量子操縱是亟待發展的技術。與目前常用的外部磁場激勵方法相比，電場操控在空間解析度、能耗以及器件結構複雜性等方面具有顯著優勢。然而，受限於自旋對電場激勵的不敏感性，目前，需要在不足頭髮絲尺度的器件上施以數萬伏的高壓才能完成對自旋的電場操控。

一個可能的解決方法是，通過化學設計增強電子自旋與外部電場的相互作用，從而降低驅動電場，更加快速便捷地操控材料中的電子自旋。

本研究使用的樣品晶體結構與實驗裝置

北京大學化學與分子工程學院高松院士團隊的蔣尚達副研究員提出，由於稀土離子顯著的電子自旋-軌道耦合，可以通過原子軌道的力量放大電子自旋與外部電場間的耦合，為低電壓操控自旋創造可能性。蔣尚達團隊解決了常見稀土離子的量子相干性較差等問題，並在此基礎上，實現了電場對電子自旋的高效相干操控。下圖展示了鈰離子疊加態量子相位的可控周期性演化情況。

電子自旋疊加態在外部電場的控制下進行周期性演化。

研究團隊進一步優化實驗條件，實現了基於電場的高效可控量子相位門，並演示了量子啟停器、量子芝諾效應和量子Deutsch-Jozsa算法等。作者認為，受限於樣品尺寸，目前僅能將驅動電壓降至50伏，但若將材料縮小至微米尺寸，便可以在安全電壓下實現更有效的自旋操控。在晶片製造業高度發達的今天，這一切都可以集成在一張集成電路板上，通過外部接口控制內部材料實現一臺半導體量子計算機的構建。

以上研究成果近日發表於《國家科學評論》，論文的第一作者是北京大學化學與分子工程學院博士研究生劉正，通訊作者是北京大學蔣尚達副研究員。該工作受到國家自然科學基金委、科技部與北京量子信息研究院的資助。