Интегриране на електронния спинов резонанс в атомно-силовата микроскопия
(илюстрация: Eugenio Vázquez / University of Regensburg)
Физици от университета в Регенсбург са намерили начин да манипулират квантовото състояние на отделните електрони с помощта на микроскоп с атомна резолюция. Това е пробив, който потенциално има огромно значение за квантовите изчисления. Резултатите от изследването са публикувани в научното сп. Nature.
Светът около нас се състои от молекули, толкова малки, че дори една прашинка съдържа безброй много от тях. Напредъкът в технологиите направи възможно да се изследват с висока точност не само молекулите, но дори и атомите, от които те се състоят, с помощта на микроскоп.
Най-новото изобретение на физиците се нарича „атомно-силов микроскоп”. За разлика от оптичния микроскоп, той функционира на различен принцип: работата му се основава на чувствителността на най-малките сили между върха на устройството и изследваната молекула. С този подход е възможно да се получи „образ” на вътрешната структура на молекулата.
Въпреки това, наблюдавайки една молекула по този начин, не може да се каже със сигурност, че методът позволява да се разберат всички нейни свойства. Например, сега е много трудно да се определи от кои атоми се състои една молекула.
Добрата новина е, че има и други инструменти, които позволяват на учените да определят състава на молекулите. Един такъв метод е електронният спинов резонанс, който се основава на същите принципи като магнитния резонанс в медицината. Но при електронния спинов резонанс обикновено са необходими безброй молекули за получаване на сигнал, достатъчно мощен, за да бъде открит. По този начин не можете да получите достъп до свойствата на всяка молекула, а само до тяхната средна стойност.
Изследователи от университета в Регенсбург, ръководени от професор д-р Яша Реп от Института по експериментална и приложна физика, вече са интегрирали електронния спинов резонанс в атомно-силовата микроскопия. Специално трябва да се отбележи, че електронният спинов резонанс се записва директно с помощта на върха на микроскопа, така че сигналът идва само от една отделна молекула. По този начин учените могат да характеризират отделни молекули. Това дава възможност незабавно да се определи от кои атоми е съставена изследваната молекула.
„Ние дори успяхме да различим молекули, които се различават не по вида на атомите, от които са изградени, а само по своите изотопи, тоест състава на атомните ядра”, споделя Лизан Селис, първи автор на изследването.
„Въпреки това бяхме още по-заинтригувани от друга възможност, която носи в себе си електронният спинов резонанс”, обяснява професор Реп. „Тази техника може да се използва за контролиране на спин-квантовото състояние на електрони, присъстващи в молекула”.
Но защо това е интересно? Квантовите компютри съхраняват и обработват информация, която е кодирана в квантово състояние. За да извършват изчисления, квантовите компютри трябва да манипулират квантово състояние, без да губят информация в резултат на т.нар. декохерентност. Това е прекъсване на самата кохерентност (връзката между две квантово заплетени частици), причинено от взаимодействието на квантово-механичната система с околната среда чрез процес, който е необратим от гледна точка на термодинамиката.
Изследователите от Регенсбург демонстрират, че с новата си техника могат да манипулират квантовото състояние на въртене в една молекула много пъти, преди състоянието да се разпадне. Тъй като микроскопията е в състояние да покаже специфични области на молекулата, новата техника може да помогне на учените да разберат зависимостта на декохерентността в квантовия компютър от атомната среда и в крайна сметка как да я избегнат. И това е пътят към по-прости и най-важното, по-точни квантови изчисления.