Голландские ученые научились определять ориентацию спина отдельного электрона в твердотельной гетероструктуре. Это является важным шагом на пути к созданию квантовых компьютеров, в которых носителем информации являются спины отдельных частиц.

Рис.1. a - принципиальная схема определения ориентации спина по его заряду; b - изображение экспериментальной полупроводниковой гетероструктуры с металлическими электродами (кружком обозначена квантовая точка, стрелкой показано направление магнитного поля - оно приколадывалось в плоскости структуры).

В последние годы большое внимание уделяется созданию твердотельных устройств, принцип действия которых основывается на работе не с зарядом, а со спином заряженных частиц (в обиход ученых вошел термин "спинтроника"). Одним из таких устройств могут стать квантовые компьютеры . Необходимым этапом их разработки является надежное определение спинового состояния отдельной частицы. Это можно сделать оптическими методами, совсем недавно (в этом году) сотрудники исследовательского центра IBM смогли определить спин электрона и другим методом, используя магнитную резонансную силовую микроскопию. Однако наиболее удобным и технологичным является определение спина электрона, опирающееся на измерение каких-либо электрических токов. Подобная схема считывания спинового состояния электрона была предложена не так давно учеными из знаменитого Дельфтского университета. Несмотря на то, что многие высказывали скепсис по поводу возможности экспериментальной реализации этой схемы, голландские ученые смогли сделать это [1].

На рис.1b показано изображение экспериментального устройства, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. На полупроводниковую гетероструктуру GaAs/AlGaAs, в которой имеется двумерный электронный газ (т.е. электроны могут свободно перемещаться только в двух направлениях, находился в 90 нм под поверхностью) были нанесены металлические электроды. Они позволяли, подавая определенное напряжение, создавать потенциальный минимум в центре охваченной электродами области, т.е. создать своего рода "квантовую точку" (еще одна разновидность "квантовых точек" ). Поблизости от этой квантовой точки находился еще один электрод, создавая квантовый точечный контакт (QPC на рисунке). Меняя напряжение на электродах, можно было "посадить" в квантовую точку один (дополнительный) электрон, т.е. зарядить квантовую точку (ее заряд в данных экспериментах мог быть равен нулю или заряду одного электрона ). Плодотворная дебютная идея голландских ученых состояла в что том, что ток через квантовый точечный контакт (I_QPC) должен зависеть от зарядового состояния близко расположенной квантовой точки. А, при приложении внешнего магнитного поля, наличие или отсутствие электрона в квантовой точке при определенных условиях должно зависеть от ориентации спина электрона (от того, по полю или против поля направлен его спин). Точнее говоря, в зависимости от того, какова изначально ориентация спина электрона, оказавшегося в квантовой точке, этот электрон в результате манипуляция с напряжением электродов должен либо покинуть квантовую точку, либо остаться в ней (рис. 1a).

Рис. 2. Стадии процесса определения ориентации спина электрона, слева направо: 1 - до начала измерения, 2 - стадия инжекции электрона и ожидания, 3 - стадия считывания, 4 - окончание эксперимента (возращение в исходное состояние). a - изменение напряжения на электроде P в течении эксперимента; b - изменение тока через квантовый точечный контакт в течение эксперимента (ожидаемое); c - схематическая энергетическая диаграмма.

Эксперименты проводились при сверхнизких температурах в высоких магнитных полях (порядка 10 Тл). В таких полях зеемановское расщепление уровней энергии электронов составляло 200 мкэВ, что примерно на порядок больше характерной тепловой энергии электронов при температуре эксперимента (25 мкэВ) и в несколько раз меньше расстояния между уровнями энергии в квантовой точке (1.1 мэВ). Последовательность шагов определения ориентации спина электрона показана на рис.2. В начальный момент оба подуровня энергия электрона с разными ориентациями спина ("вверх" и "вниз") находятся выше уровня Ферми окружающего "квантовую точку" электронного газа ("резервуара") - рис. 2c; после изменения напряжения (рис. 2a) на одном из электродов (P) оба уровня энергии оказываются ниже уровня Ферми, и в квантовую точку попадает электрон с какой-то (заранее неизвестной) ориентацией спина, и наличие электрона в квантовой точке отражается на токе через квантовый точечный контакт (рис. 2b). По истечении определенного времени (характерный масштаб - сотни микросекунд) исследователи уменьшают напряжение так, чтобы один из подуровней энергии был выше уровня Ферми резервуара, а другой - ниже. Соответственно, в зависимости от того, какова ориентация спина электрона, попавшего в квантовую точку, просходит либо его "замена" на электрон с противоположной ориентацией спина, либо ничего не происходит. В зависимости от этого, в течении стадии считывания наблюдается (отмечено кружком на рис. 2b; рис.3) или не наблюдается изменение тока через квантовый точечный контакт.

Рис. 3. Эксперимент: изменение тока через квантовый точечный контакт при ориентации спина электрона "вверх" (вверху) и "вниз" (внизу). Красной линией показано пороговое изменение тока, при превышении которого ориентации спина электрона приписывается значение "вниз".

В настоящий момент исследователи могут верно определить спин электрона примерно в 65 % случаев, однако это значение в будущем, безусловно, будет существенно повышено. Трудности трудностями, но главное все же том, изящные и прецизионные эксперименты голландских ученых приближают заветную цель создания работающих на спиновых квантовых битах квантовых компьютеров. Во всяком случае, характерное время спиновой релаксации в магнитном поле 8 Тл составило примерно 850 мкс, что весьма обнадеживающе с точки зрения использования спина электрона как носителя квантовой информации.

1. J.M. Elzerman, R. Hanson, L. H. Willems van Beveren, B. Witkamp, L. M. K. Vandersypen, L. P. Kouwenhoven. Nature, v.431, 431 (2004).

Е.Онищенко