科學家成功實現電子自旋信息在超導體內成功傳輸

2020-11-27 環球網

美國哈佛大學官網近日發出公告稱，該校保爾森工程與應用科學學院（SEAS）科學家成功實現在超導材料內傳輸電子自旋信息，從而克服了量子計算的一大主要挑戰。這一發表在《自然·物理學》雜誌上的最新突破，將為構建量子傳導裝置奠定基礎。電子不僅只有所帶的電荷能傳遞信息，其不同的自旋態也攜帶著信息。電子的「向上自旋」和「向下自旋」可以分別作為「0」和「1」用於量子信息處理，但遵循量子力學原理的電子不只有這兩種自旋方向，它能夠沿著任何方向自旋。

如果將所有這些自旋方向同時利用，將構建出更強大的新型量子計算機。目前在物理學分支自旋電子學領域，科學家們熱衷於捕獲和測量電子自旋並試圖構建基於自旋的電子門和電路。

超導材料因其電子運動不會消耗任何能量，成為科學家們研製能耗很少的量子裝置的最佳選擇，但相關研究長期以來也面臨一大難題：超導材料內流動的庫伯電子對軌道完全對稱，兩個自旋方向會完全相反，最後自旋動量相互抵消變成零，因此不能傳輸電子自旋信息。

現在，SEAS物理學教授阿米爾·亞柯比帶領的研究團隊構建出簡單的超導裝置，找到了控制超導體材料中流動電子自旋的全新方法。他們構建的超導裝置是一種三明治結構，上下兩個外層為超導體，會賦予夾層非超導材料碲化汞與外層接近的超導性。在這種超導裝置內，電子對軌道對稱性被打破，自旋不再反對稱（即自旋方向不再相反），而是沿不同方向交替自旋。

研究團隊現已能夠測量不同位點的自旋動量，並能調整電子對的自旋動量總和。亞柯比表示，新研究將為量子信息儲存打開全新可能，三明治結構獨特的超導性能也將帶來全新的量子材料。

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