يمكن أيضًا استخدام التيارات المستقطبة المغزلية للتحكم في الحالات الكمومية للسبينات الإلكترونية الفردية. ومن الممكن استخدام نتائج البحث المنشورة في مجلة ساينس العلمية في تقنيات مختلفة في المستقبل، على سبيل المثال في التحكم في الحالات الكمومية للكيوبتات المغناطيسية.
قام باحثون من معهد زيورخ للتكنولوجيا (ETH Zurich) بقيادة بيترو غامبارديلا بتطوير طريقة للتحكم في الحالات الكمومية للسبينات الإلكترونية الفردية باستخدام التيارات المستقطبة. قد تؤدي هذه الطريقة إلى تحسين التقنيات في مجال الحوسبة الكمومية. توفر التقنية الجديدة تحكمًا أكثر دقة وتركيزًا مقارنة بالطرق التقليدية التي تستخدم المجالات الكهرومغناطيسية، مما قد يحسن القدرة على التحكم في الحالات الكمومية في أجهزة مثل الكيوبتات.
تمتلك الإلكترونات زخمًا زاويًا داخليًا يسمى الدوران، والذي يسمح لها بالمحاذاة مع المجال المغناطيسي، على غرار عمل إبرة البوصلة. بالإضافة إلى شحنتها الكهربائية، يتم الآن استخدام دوران الإلكترونات بشكل متزايد لتخزين البيانات ومعالجتها.
يمكنك بالفعل اليوم شراء مكونات ذاكرة MRAM (ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسي)، حيث يتم تخزين المعلومات في مغناطيسات صغيرة جدًا ولكنها لا تزال كلاسيكية، والتي تحتوي على العديد من دورات الإلكترون. يعتمد MRAM على تدفقات من الإلكترونات ذات دوران متوازي يمكنها تغيير المغنطة عند نقطة معينة في المادة.
أظهر بيترو غامبارديلا وزملاؤه من معهد زيورخ للتكنولوجيا أن التيارات المستقطبة السبينية يمكن استخدامها أيضًا للتحكم في الحالات الكمومية للسبينات الإلكترونية الفردية. ومن الممكن استخدام نتائج البحث المنشورة في مجلة Science العلمية في تقنيات مختلفة في المستقبل، على سبيل المثال في التحكم في الحالات الكمومية للكيوبتات المغناطيسية.
تيارات الأنفاق في الجزيئات المفردة
يقول الدكتور سيباستيان ستيفانوف، أحد كبار العلماء في مختبر غامبارديلا: "تقليديًا، يتم التحكم في دوران الإلكترون باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية مثل موجات الراديو أو الموجات الدقيقة". وقد تم تطوير هذه التقنية، المعروفة أيضًا باسم الرنين المغنطيسي الإلكتروني، في وقت مبكر من منتصف الأربعينيات في القرن العشرين ويستخدم في مجالات مختلفة مثل أبحاث المواد والكيمياء والفيزياء الحيوية "قبل عدة سنوات، تم إثباته أن الرنين المغنطيسي الإلكتروني يمكن إحداثه في الذرات الفردية؛ ويضيف ستيفانوف: "لكن حتى الآن لم تكن الآلية الدقيقة لذلك واضحة".
للتحقيق في العمليات الكمومية وراء هذه الآلية، قام الباحثون بإعداد جزيئات البنتاسين (هيدروكربون عطري) على ركيزة من الفضة. تم وضع طبقة عازلة رقيقة من أكسيد المغنيسيوم على الركيزة. تضمن هذه الطبقة أن تتصرف الإلكترونات الموجودة في الجزيء بشكل أو بآخر كما تفعل في الفضاء الحر.
وباستخدام المجهر النفقي الماسح، قام الباحثون أولاً بتمييز السحب الإلكترونية في الجزيء. يتضمن ذلك قياس التيار الناتج عندما تتدفق الإلكترونات كميًا من طرف إبرة التنغستن إلى الجزيء. وفقا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية، لا ينبغي للإلكترونات أن تكون قادرة على القفز في الفجوة بين رأس الإبرة والجزيء بسبب نقص الطاقة اللازمة. ومع ذلك، تسمح ميكانيكا الكم للإلكترونات "بالتدفق" عبر الفجوة على الرغم من نقص الطاقة، مما يؤدي إلى تيار يمكن قياسه.
مغناطيس مصغر عند طرف الإبرة
يمكن استقطاب تيار النفق باستخدام إبرة التنغستن لالتقاط عدد من ذرات الحديد الموجودة أيضًا على الطبقة العازلة. على طرف الإبرة، تشكل ذرات الحديد نوعا من المغناطيس المصغر. عندما يتدفق تيار نفقي عبر هذا المغناطيس، فإن دوران الإلكترونات في التيار يكون موازيًا لمغنطته.
الآن، طبق الباحثون جهدًا ثابتًا وجهدًا متذبذبًا سريعًا على طرف التنغستن الممغنط، وقاموا بقياس تيار النفق الناتج. ومن خلال تغيير حجم الجهد وتغيير تردد الجهد المتأرجح، تمكنوا من ملاحظة الأصداء المميزة في تيار النفق. الشكل الدقيق لهذه الأصداء سمح لهم باستخلاص استنتاجات حول العمليات التي حدثت بين إلكترونات النفق وإلكترونات الجزيء.
التحكم المباشر في الدوران عن طريق التيارات المستقطبة
ومن خلال البيانات، تمكن ستيفانوف وزملاؤه من اكتشاف نتيجتين. أولاً، استجابت دورانات الإلكترون في جزيء البنتاسين للمجال الكهرومغناطيسي الناتج عن الجهد المتذبذب بطريقة مشابهة للرنين المغنطيسي الإلكتروني العادي. ثانيًا، يشير شكل الرنين إلى وجود عملية أخرى تؤثر على دوران الإلكترون في الجزيء.
يقول طالب الدكتوراه ستيفان كوباريك: "هذه العملية تسمى "عزم الدوران المغزلي"، وجزيء البنتاسين لديه نظام نموذجي مثالي لذلك". عزم الدوران المغزلي هو تأثير يتغير فيه دوران الجزيء تحت تأثير تيار مستقطب الدوران دون التأثير المباشر للمجال الكهرومغناطيسي. أثبت الباحثون من معهد زيوريخ للتكنولوجيا أنه من الممكن أيضًا إنشاء حالات تراكب كمومي للدوران الجزيئي بهذه الطريقة. تُستخدم حالات التراكب هذه، على سبيل المثال، في التقنيات الكمومية.
يقول كوباريك: "إن التحكم في الدوران بواسطة التيارات المستقطبة على المستوى الكمي يفتح إمكانيات تطبيقية مختلفة". على عكس المجالات الكهرومغناطيسية، تعمل التيارات المستقطبة بشكل محلي للغاية ويمكن توجيهها بدقة أقل من نانومتر. يمكن استخدام مثل هذه التيارات لمعالجة مكونات الدوائر الإلكترونية في الأجهزة الكمومية بدقة كبيرة وبالتالي التحكم في الحالات الكمومية للبتات الكمومية المغناطيسية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
أين مصدر المقال؟