新型光诱导材料显示出量子应用的巨大潜力

Josiah02 · 发表于 2024-10-16 14:00:41

一类被称为钙钛矿的材料具有特殊的电子键合能力，具有多种应用，可用于量子传感。
许多科学家正在研究不同的材料，以期将其用于量子技术。这些材料中原子的一个重要特征是自旋。科学家希望控制原子自旋来开发新型材料，即自旋电子学。它们可以用于先进技术，如存储设备和用于超精确测量的量子传感器。
最近，美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室和北伊利诺伊大学的研究人员取得了突破性进展，他们发现可以利用光来探测钙钛矿类材料的自旋状态（本研究中具体指甲基铵碘化铅，即 MAPbI 3）。钙钛矿具有许多潜在用途，从太阳能电池板到量子技术。
该项研究成果发表在《自然通讯》杂志上。
要理解自旋，请考虑绕原子核旋转的电子。当原子靠得很近时，它们可以共享一些外层电子，从而在它们之间形成键。每个键包含两个“配对”的电子，这意味着它们共享一个轨道——它们移动的区域。
现在，这些配对电子中的每一个都具有两种可能的自旋状态之一：自旋向上或自旋向下。如果一个电子自旋向上，另一个电子自旋向下。由于我们无法在不观察它们的情况下确切知道哪个电子具有哪种自旋，因此我们说它们存在于量子叠加中 - 在被观察之前它们既自旋向上又自旋向下的状态。
阿贡物理学家、这项研究的共同作者 Saw Wai Hla 说道：“通过调节钕的浓度来适应激子的浓度，我们最终可以使用钕作为激子自旋的一种探针。”
这与量子计算中使用的概念相同。量子比特可以同时表示零和一，而传统比特只能表示其中之一。这使得量子计算机在某些方面比普通计算机强大得多。
识别和控制电子自旋是制造计算机和传感器等量子设备的关键。
在他们的研究中，研究人员利用光激发钙钛矿材料中的两个配对电子之一。这导致电子移动到更高的能级，在较低能级留下一个“空穴”。这种一个激发电子和一个空穴的配对称为激子。
当光能转化为电势能时，就会形成激子。通常情况下，激子不会持续很长时间，因为激发的电子最终会落回空穴，这一过程称为复合，并释放出光。在 MAPbI 3中，此类激子通常仅持续几十纳秒。
北伊利诺伊大学教授徐涛领导的研究小组发现了一种将激子寿命延长 10 倍以上的方法。他们通过在材料中添加一种名为钕的稀土金属来实现这一点。钕的外层轨道上有未配对电子，这使其成为与激子电子相互作用的良好候选者。
被提升到激子更高轨道的电子最终也会部分占据钕原子的轨道。这在钕原子中与局部自旋形成自旋纠缠态。
钕中的纠缠电子仍与钙钛矿中的配对电子相连。尽管它们分开了，但它们仍然可以相互“交流”，这为科学家提供了有关该材料的有用信息，并可用于量子传感。
“重点是我们可以通过激子中单个电子与钕原子的相互作用与它们进行通信。这很令人兴奋，因为通常情况下，这些电子只会衰变并释放光，”另一位合著者、阿贡纳米科学家本杰明·迪罗尔 (Benjamin Diroll) 说。
徐教授表示，钕在相对较低的磁场下可以作为量子传感器发挥作用。但如果磁场太强，钕中的自旋就会被锁定，与激子的连接就会中断。
“令人兴奋的是，通过调整钕的浓度，我们可以检测激子的自旋。这可能使我们能够纠缠多达 10 个电子自旋，这将是量子计算中非常有趣的量子比特材料，”徐说。

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