Исследователи под руководством профессора Доминика Зумбуля из факультета физики Базельского университета использовали квантовые проволоки, сделанные из полупроводникового арсенида галлия. Это одномерные структуры, в которых электроны могут двигаться только в одном пространственном направлении.При температурах выше 10 кельвинов квантовые проволоки проявляли универсальную квантованную проводимость, что позволяет предположить, что спины электронов не были упорядочены.
Однако, когда исследователи использовали жидкий гелий для охлаждения проводов до температуры ниже 100 милликельвинов (0,1 кельвина), электронные измерения показали падение проводимости в два раза, что предполагает коллективную ориентацию электронного спина. Это состояние также оставалось постоянным, когда исследователи охлаждали образец до еще более низких температур, до 10 милликельвинов.Электронно-ядерное спиновое взаимодействиеРезультаты являются исключительными, потому что это первый случай, когда ядерный спиновый порядок был измерен при температурах до 0,1 кельвина.
Раньше спонтанный порядок ядерных спинов наблюдался только при гораздо более низких температурах, обычно ниже 1 микрокельвина; то есть на пять порядков ниже по температуре.Причина, по которой порядок ядерных спинов возможен уже при 0,1 кельвина, заключается в том, что ядра атомов галлия и мышьяка в этих квантовых проволоках соединяются с электронами, которые сами действуют на ядерные спины, которые снова взаимодействуют с электронами, и т. Д. . Этот механизм обратной связи сильно усиливает взаимодействие между магнитными моментами, создавая таким образом комбинированный ядерный и электронный спиновый магнетизм. Этот порядок дополнительно стабилизируется тем фактом, что электроны в таких квантовых проволоках имеют сильные взаимные взаимодействия, натыкаясь друг на друга, как железнодорожные вагоны на единственном пути.Спиновый порядок электронов и ядер
Интересно, что в упорядоченном состоянии спины электронов и ядер не все направлены в одном направлении. Вместо этого они принимают форму спирали, вращающейся вдоль квантовой проволоки. Такое спиральное расположение предсказывается теоретической моделью, описанной профессором Дэниэлом Лоссом и его сотрудниками из Базельского университета в 2009 году. Согласно этой модели, проводимость падает в два раза при наличии спирали ядерного спина.
Все остальные существующие теории несовместимы с данными этого эксперимента.На шаг ближе к развитию квантовых компьютеров
Результаты эксперимента важны для фундаментальных исследований, но также интересны для разработки квантовых компьютеров, основанных на спине электрона как единице информации (предложенном Дэниелом Лоссом и Дэвидом П. Ди Винченцо в 1997 году). Чтобы электронные спины можно было использовать для вычислений, они должны оставаться стабильными в течение длительного периода. Однако сложность управления ядерными спинами представляет собой главный источник ошибок для стабильности электронных спинов.Работа физиков из Базеля открывает новые возможности для смягчения этих разрушительных флуктуаций ядерного спина: с помощью порядка ядерных спинов, достигнутого в эксперименте, можно будет генерировать гораздо более стабильные единицы информации в квантовых проволоках.
Кроме того, ядерными спинами можно управлять с помощью электронных полей, что ранее было невозможно. При приложении напряжения электроны вытесняются из полупроводника, что разрушает электронно-ядерную связь и спиральный порядок.Работа проводилась международной группой под руководством профессора Доминика Зумбуля из факультета физики Базельского университета; команда получила поддержку в измерениях от Гарвардского университета (профессор Амир Якоби). Нанопроволока возникла в Принстонском университете (Лорен Н. Пфайфер и Кен Уэст).
Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом, Швейцарским национальным научным фондом, Базельским центром квантовых вычислений и квантовой когерентности (Базельский центр QC2), Швейцарским институтом нанонауки и NCCR Quantum Science. Технология (QSIT).