Создание устойчивых изолированных спинов на твёрдых поверхностях имеет решающее значение для производства квантовых битов (кубитов), датчиков и одноатомных катализаторов. Изолированный спин — это отдельный спин, защищённый от внешних взаимодействий. Поскольку изолированные спины могут сохранять своё состояние в течение длительных периодов, они идеально подходят для использования в качестве кубитов, основных единиц квантовых вычислений, и для сверхбыстрой спинтронной памяти.
Значительные исследования были посвящены выявлению материалов, способных создавать стабильный изолированный квантовый спин. Среди кандидатов — одиночные атомы переходных металлов, таких как медь (Cu) в молекуле Cu-фталоцианина (CuPc), молекулярные магниты, азотно-вакансионные центры в алмазах и двумерные слоистые материалы.
Обнаружение изолированного спина
Один из способов обнаружения изолированного спина — наблюдение пика нулевого смещения (ZBP) в электрической проводимости, например, благородного металла-подложки, содержащей молекулу CuPc. Пик ZBP возникает в результате взаимодействия между электронами проводимости на подложке и изолированным спином.
До сих пор создание этих ZBP было в основном ограничено поверхностями из благородных металлов, таких как золото и серебро. Эти поверхности богаты электронами проводимости, которые, хотя и полезны для ZBP, могут также рассеивать спин и изменять его состояние, вызывая нарушение собственного спинового состояния. Это делает их непригодными для использования в качестве кубитов. В качестве решения исследователи обратились к изоляционным плёнкам, в которых отсутствуют электроны проводимости и которые могут содержать более стабильные спины.
Прорыв в исследовании
Исследовательская группа под руководством доцента Тоё Казу Ямады из Высшей инженерной школы Университета Чиба, Япония, продемонстрировала изолированные спины на изоляционной твёрдой поверхности, наложенной на магнитную подложку.
«В этом исследовании мы успешно реализовали изолированные спины на изоляционной поверхности оксида магния (MgO), размещённой на ферромагнитной железной подложке — Fe(001)», — объясняет доктор Ямада. «Поскольку изоляционные поверхности не имеют электронов проводимости, квантовые спины могут оставаться более стабильными. Более того, структура MgO/Fe(001), которую мы использовали, уже широко применяется в спинтронике, что делает наш подход весьма доступным».
Команда также включала г-на Кёэя Иши, доктора Нану Назрик и доктора Питера Крюгера, также из Университета Чиба. Их исследование было опубликовано в журнале Nanoscale Horizons 30 июля 2025 года.
Методология исследования
Исследователи сосредоточились на размещении молекулы CuPc на границе раздела MgO/Fe(001). Первым препятствием, с которым они столкнулись, было выращивание атомарно плоского слоя MgO на подложке Fe(001). Они обнаружили, что разработка кислородного покрытия на Fe(001) может обеспечить атомарно плоскую поверхность.
Это позволило им эпитаксиально вырастить плоскую плёнку MgO на покрытой кислородом подложке Fe(001) с использованием химического осаждения из газовой фазы в сверхвысоком вакууме. Наконец, после многочисленных попыток они успешно адсорбировали молекулу CuPc на изоляционной поверхности MgO.
«Уникальной особенностью нашей конструкции является использование ферромагнитной железной подложки», — говорит доктор Ямада. «Хотя магнитная поверхность обычно взаимодействовала бы со спином и меняла его состояние, изоляционный слой между подложкой и молекулой CuPc предотвращает прямое взаимодействие, сохраняя спин стабильным».
Чтобы подтвердить наличие изолированных спинов, они провели сканирующую туннельную спектроскопию изготовленного образца и искали пик ZBP. Поскольку в MgO отсутствуют электроны проводимости, они изначально не ожидали появления пика ZBP. Однако при внимательном рассмотрении они ясно наблюдали пик ZBP, который возник в результате косвенного взаимодействия изолированного спина и электронов проводимости в подложке Fe(001) через поверхность MgO.
Это говорит о том, что изоляционные плёнки могут поддерживать формирование изолированных спинов даже на ферромагнитных веществах. Интересно, что пик ZBP также появился на поверхности MgO вне CuPc, чего не наблюдается на поверхностях из благородных металлов.
«Наше исследование знаменует собой выдающееся достижение в исследованиях изолированных спинов», — отмечает доктор Ямада. «Поскольку поверхность MgO/Fe(001) уже широко используется в устройствах с туннельным магнитосопротивлением, наши результаты позволяют предположить, что может быть возможно интегрировать кубиты с использованием существующих методов изготовления тонких плёнок».
Это исследование открывает новое направление для исследований изолированных спинов, позиционируя магнитные подложки, уже широко используемые в спинтронных устройствах, в качестве новой платформы для удержания и управления кубитами, прокладывая путь к более доступным квантовым вычислениям.
Предоставлено:
[Университет Чиба](https://phys.org/partners/chiba-university/)