image: 电子自旋叠加态在外部电场的控制下进行周期性演化。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
麦克斯韦方程统一了电与磁，今天的众多科技应用也都基于这套基本理论。即便如此，一百多年后的今天，想在固体材料中实现电与磁的有效耦合仍然充满挑战。这主要是由于磁性质来源于材料的电子自旋运动，而电性质则源于材料的电子轨道运动，两种相对独立的运动模式导致大部分材料中难以观测到磁电耦合现象。对应地，磁场和电场的外部激励也往往只能够分别影响材料中电子自旋和电子轨道行为。
电子自旋的量子特性使其有望在量子计算、量子精密测量等领域发挥重大应用价值。目前对自旋的量子操控主要依赖于以磁共振技术为代表的外部磁场激励，虽然电场操控自旋在空间分辨率、能耗以及器件结构复杂性等方面具有显著优势，但受限于材料电子自旋行为对电场激励不敏感的局限性，人们需要在不足头发丝尺度的器件上施以数万伏的高压才能够完成对自旋的电场操控。如果通过化学设计增强电子自旋与外部电场的相互作用，人们便能够大幅降低驱动电场，进而使用更加快速便捷的电场来操控材料中的电子自旋。
北京大学化学与分子工程学院高松院士团队的蒋尚达副研究员提出，由于稀土离子显著的电子自旋-轨道耦合，人们可以通过原子轨道的力量放大电子自旋与外部电场间的耦合，这为低电压操控自旋创造了可能性。蒋尚达团队在解决了常见稀土离子的量子相干性较差等问题的基础上，成功地实现了电场对电子自旋的高效相干操控。图2展示了铈离子叠加态量子相位的可控周期性演化情况。 团队在此基础上优化实验条件，成功实现了基于电场的高效可控量子相位门，并演示了量子启停器、量子芝诺效应和量子Deutsch-Jozsa算法等。作者认为，受限于样品尺寸，目前仅能将驱动电压降至50伏，但若将材料缩小至微米尺寸，便可以在安全电压下实现更有效的自旋操控。在芯片制造业高度发达的今天，这一切都可以集成在一张集成电路板上，通过外部接口控制内部材料实现一台半导体量子计算机的构建。
以上研究成果近日发表于《国家科学评论》，论文的第一作者是北京大学化学与分子工程学院博士研究生刘正，北京大学蒋尚达副研究员为通讯作者。该工作受到国家自然科学基金委、科技部与北京量子信息研究院的资助。
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Electric field manipulation enhanced by strong spin-orbit coupling: promoting rare-earth ions as qubits, National Science Review, 2020. DOI: 10.1093/nsr/nwaa148 https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa148Journal
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