新型显微镜对单个电子的量子态进行研究

雷根斯堡大学的物理学家已经找到了一种使用具有原子分辨率的显微镜来操纵单个电子的量子态的方法。该研究结果现已发表在《自然》杂志上。

我们，以及我们周围的一切，都是由分子组成的。这些分子是如此之小，以至于即使是一粒尘埃也含有无数的分子。现在通常可以使用原子力显微镜对这些分子进行精确成像，其工作原理与光学显微镜完全不同：它基于感应尖端和被研究分子之间的微小力。

使用这种类型的显微镜，甚至可以对分子的内部结构进行成像。虽然人们可以以这种方式观察分子，但这并不意味着知道它的所有不同性质。例如，已经很难确定分子由哪种原子组成。

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电子自旋共振在原子力显微镜中积分的效果图

幸运的是，还有其他工具可以确定分子的组成。其中之一是电子自旋共振，它基于与医学上MRI扫描仪相似的原理。然而，在电子自旋共振中，人们通常需要无数个分子才能获得足够大的信号，以便可以检测到。使用这种方法，人们无法访问每个分子的属性，而只能访问它们的平均值。

雷根斯堡大学的研究人员在UR实验与应用物理研究所的Jascha Repp教授博士的领导下，现在已经将电子自旋共振整合到原子力显微镜中。

重要的是，电子自旋共振是直接用显微镜的尖端检测的，因此信号仅来自一个单独的分子。这样，他们就可以逐个表征单个分子。这允许人们确定他们刚刚成像的分子是由哪些原子组成的。

“我们甚至可以区分那些在组成原子的类型上没有区别的分子，而只是在它们的同位素上，即原子核的组成上，”这项研究的第一作者Lisanne Sellies补充道。

“然而，我们对电子自旋共振带来的另一种可能性更加感兴趣。这种技术可用于操作分子中存在的电子的自旋量子态，“Repp教授说。

量子计算机存储和处理以量子态编码的信息。为了进行计算，量子计算机需要操纵量子态，而不会因所谓的退相干而丢失信息。雷根斯堡的研究人员表明，通过他们的新技术，他们可以在状态退相干之前多次操作单个分子中自旋的量子态。

由于显微镜技术允许对分子的单个邻域进行成像，因此新开发的技术可以帮助理解量子计算机中的退相干如何取决于原子尺度的环境，并最终如何避免它。

相关链接：https://phys.org/news/2023-12-microscope-quantum-state-electrons.html

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