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交流学术,偶尔风月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。然而即便如此,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,也难以实现磁电交叉控制——用外部磁场调控材料中的电子轨道行为,或者用电场调控材料中的电子自旋。
另一方面,在新兴的量子计算、量子精密测量等领域中,用电场对电子自旋进行量子操纵是亟待发展的技术。与目前常用的外部磁场激励方法相比,电场操控在空间分辨率、能耗以及器件结构复杂性等方面具有显著优势。然而,受限于自旋对电场激励的不敏感性,目前,需要在不足头发丝尺度的器件上施以数万伏的高压才能完成对自旋的电场操控。
一个可能的解决方法是,通过化学设计增强电子自旋与外部电场的相互作用,从而降低驱动电场,更加快速便捷地操控材料中的电子自旋。?本研究使用的样品晶体结构与实验装置
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,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,为低电压操控自旋创造可能性。蒋尚达团队解决了常见稀土离子的量子相干性较差等问题,并在此基础上,实现了电场对电子自旋的高效相干操控。下图展示了铈离子叠加态量子相位的可控周期性演化情况。?电子自旋叠加态在外部电场的控制下进行周期性演化。
研究团队进一步优化实验条件,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,通讯作者是北京大学蒋尚达副研究员。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。论文信息:Electric field manipulation enhanced by strong spin-orbit coupling: promoting rare-earth ions as qubits, National Science Review, 2020. DOI: 10.1093/nsr/nwaa148https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa148
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