Эффективность квантовых компьютеров, датчиков и других приложений часто зависит от свойств электронов, включая их спин. Наиболее точные системы для высокопроизводительных квантовых приложений основаны на использовании электронов атомов, захваченных в газе, но эти системы трудно масштабировать для использования в более крупных квантовых устройствах, таких как квантовые компьютеры.
Команда исследователей из Пенсильванского государственного университета и Государственного университета Колорадо продемонстрировала, как золотой кластер может имитировать эти газообразные, захваченные атомы. Это позволяет учёным использовать эти свойства спина в системе, которую можно легко масштабировать.
«Впервые мы показали, что золотые нанокластеры обладают теми же ключевыми свойствами спина, что и современные методы для квантовых информационных систем», — сказал Кен Кнаппенбергер, заведующий кафедрой и профессор химии в Колледже наук Пенсильванского государственного университета и лидер исследовательской группы.
«Удивительно, но мы также можем манипулировать важным свойством, называемым спиновой поляризацией, в этих кластерах, которое обычно фиксировано в материале. Эти кластеры можно легко синтезировать в относительно больших количествах, что делает эту работу многообещающей проверкой концепции того, что золотые кластеры могут быть использованы для поддержки различных квантовых приложений», — добавил он.
Основные моменты исследования
Две статьи, описывающие золотые кластеры и подтверждающие их спиновые свойства, опубликованы в ACS Central Science и The Journal of Physical Chemistry Letters.
«Спин электрона влияет не только на важные химические реакции, но и на квантовые приложения, такие как вычисления и зондирование», — сказал Нейт Смит, аспирант химического факультета в Колледже наук Пенсильванского государственного университета и первый автор одной из статей. «Направление вращения электрона и его выравнивание относительно других электронов в системе могут напрямую влиять на точность и долговечность квантовых информационных систем».
Свойства спина и их влияние
Подобно тому как Земля вращается вокруг своей оси, которая наклонена по отношению к Солнцу, электрон может вращаться вокруг своей оси, которая может быть наклонена по отношению к его ядру. Но в отличие от Земли, электрон может вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки. Когда многие электроны в материале вращаются в одном направлении, и их наклоны выровнены, электроны считаются коррелированными, а материал имеет высокую степень спиновой поляризации.
«Материалы с высококоррелированными электронами и высокой степенью спиновой поляризации могут сохранять эту корреляцию в течение гораздо более длительного времени и, таким образом, оставаться точными гораздо дольше», — сказал Смит.
Современные системы для квантовых приложений
Современная система, обеспечивающая высокую точность и низкую погрешность в квантовых информационных системах, включает захваченные атомные ионы — атомы с электрическим зарядом — в газообразном состоянии. Эта система позволяет возбуждать электроны до различных энергетических уровней, называемых состояниями Ридберга, которые имеют очень специфическую спиновую поляризацию, сохраняющуюся в течение длительного периода времени. Она также позволяет осуществлять суперпозицию электронов, когда электроны существуют в нескольких состояниях одновременно, пока они не будут измерены, что является ключевым свойством для квантовых систем.
«Захваченные газообразные ионы по своей природе разбавлены, что затрудняет их масштабирование», — сказал Кнаппенбергер. «Конденсированная фаза, необходимая для твёрдого материала, по определению, объединяет атомы вместе, теряя эту разбавленную природу. Таким образом, масштабирование обеспечивает все необходимые электронные компоненты, но эти системы становятся очень чувствительными к помехам из окружающей среды».
Золотые кластеры как альтернатива
Учёные активно изучают золотые наноструктуры из-за их потенциального использования в оптических технологиях, сенсорах, терапии и для ускорения химических реакций. Однако их магнитные и спин-зависимые свойства изучены недостаточно. В текущих исследованиях учёные специально изучали монослойные защищённые кластеры, которые имеют ядро из золота и окружены другими молекулами, называемыми лигандами. Исследователи могут точно контролировать создание этих кластеров и синтезировать относительно большие количества за один раз.
«Эти кластеры называются суперомическими, потому что их электронный характер похож на атомный, и теперь мы знаем, что их спиновые свойства также схожи», — сказал Смит. «Мы определили 19 различимых и уникальных спин-поляризованных состояний, подобных Ридбергу, которые имитируют суперпозиции, которые мы могли бы сделать в захваченных, газообразных, разбавленных ионах. Это означает, что кластеры обладают ключевыми свойствами, необходимыми для выполнения операций на основе спина».
Исследователи определили спиновую поляризацию золотых кластеров, используя метод, аналогичный тому, который используется с традиционными атомами. В то время как один тип золотого кластера имел 7% спиновой поляризации, кластер с другим лигандом приближался к 40% спиновой поляризации, что, по словам Кнаппенбергера, конкурентоспособно с некоторыми ведущими двумерными квантовыми материалами.
«Это говорит нам о том, что спиновые свойства электрона тесно связаны с колебаниями лигандов», — сказал Кнаппенбергер. «Традиционно квантовые материалы имеют фиксированное значение спиновой поляризации, которое нельзя значительно изменить, но наши результаты показывают, что мы можем модифицировать лиганд этих золотых кластеров для широкой настройки этого свойства».
Исследовательская группа планирует изучить, как различные структуры внутри лигандов влияют на спиновую поляризацию и как ими можно манипулировать для точной настройки спиновых свойств.
«В квантовой сфере в основном доминируют исследователи в области физики и материаловедения, и здесь мы видим возможность для химиков использовать наши навыки синтеза для разработки материалов с настраиваемыми результатами», — сказал Кнаппенбергер. «Это новый рубеж в квантовой информатике».
В дополнение к Смиту и Кнаппенбергеру в исследовательскую группу входят Джунипер Фоксли, аспирант химического факультета Пенсильванского государственного университета; Патрик Герберт, который получил докторскую степень по химии в Пенсильванском государственном университете в 2019 году; Джейн Кнаппенбергер, исследователь в Колледже наук Пенсильванского государственного университета; а также Маркус Тофанелли и Кристофер Акерсон из Государственного университета Колорадо.
Предоставлено Pennsylvania State University