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World File Search System电子自旋
从跟踪原子到利用电子自旋
maggie@lingenfelder-lab.com从简单的愿望到“看到原子”到探索绿色能源应用的电子旋转的旅程，这反映了我们对过去几十年来原子和亚原子世界的理解时的深刻进步。这些进步不仅在智力上令人满意，而且具有应对全球挑战的潜力，例如可持续能源。在我们的研究小组中，我们通过创建自定义的纳米结构材料来应对可持续能源的挑战，从而从自然界（生物仿生）中汲取灵感，从而整合了界面化学和表面物理学的基本原理。在此演示文稿中，我在光合作用过程中汲取灵感，以设计驱动电催化能量转换过程的土壤丰富的材料：例如CO 2电源和水分裂。使用尖端扫描探针显微镜使我们能够通过原位成像可视化纳米级的动态电化学过程[1]。我们收集的详细原子尺度信息激发了我们的进一步探索：使用利用电子旋转来增强电催化转换过程的非常规策略[2-4]。这种创新的方法使我们能够开发出最先进的材料，这些材料的电催化效率高两到三倍[3-4]。参考文献[1] Hai Phan，T.，Banjac，K.，Cometto，F。等。在Operando CO2电气中，电势控制的Cu-nanocuboid和石墨烯覆盖的Cu-nanocuboid的出现。纳米莱特2021 21，2059-2065。[2] Vensaus，P.，Liang，Y.，Ansermet，JP。等。通过磁场对质量传输的影响增强电催化。自然社区。2024，15，2867。[3] Liang，Y.，Banjac，K.，Martin，K。等。通过手性分子官能化杂交2D电极的手性分子官能化增强了电催化氧的进化。自然公共2022，13，3356。[4] Y. Liang，M。Lihter，M。Lingenfelder，用于清洁能量的电催化中的自旋控制。isr。J. Chem。 2022，62，e202200052。J. Chem。2022，62，e202200052。
搜索镧系元素中的电子自旋纠缠……
材料推动技术发展，例如微电子和纳米技术中的硅基半导体。这些材料虽然本质上是量子的，但它们的宏观特性并不表现出量子世界最引人注目的方面之一：纠缠。因此，半导体中的电子可以在单电子水平上建模。然而，一种新的范式——量子材料——正在出现，在量子计算领域具有潜在的应用潜力。在这些系统中，电子是纠缠的，单电子图像不再是材料特性的准确描述。相反，需要多体、N 电子处理。当前的 QIS 捕获并利用单个原子或离子作为量子比特，即经典比特的量子模拟。由于实验的不完善，需要许多离子才能累积起来代表一个可用的“逻辑”量子比特。捕获这些离子具有挑战性，因此系统既庞大又昂贵。世界上最先进的系统由 IBM 创建，仅捕获 53 个离子。量子材料的一种可能应用是利用物质深处的 N 电子纠缠作为 QIS 应用的资源。材料中的每个纠缠电子都充当量子比特，从而实现更大规模的 QIS。在 Mourigal 实验室博士后 Zhiling Dun 的帮助下，该项目的目标是合成和表征电子自旋可能纠缠的磁性材料。
通过单电子自旋优化量子传感......
基于单个固态旋转的量子传感器有望敏感性和空间分辨率1 - 20的独特组合。感应的关键挑战是在给定时间内并具有高动态范围内达到最小估计不确定性。自适应策略来实现最佳的表现，但是苛刻的实验要求阻碍了它们在固态系统中的实施。在这里，我们意识到自适应D.C.通过将钻石中电子自旋的单次读数与快速反馈相结合来感测。通过基于预先的结果实时调整自旋读数基础，我们在拉姆西互联网中表现出了超过标准测量极限的敏感性。此外，我们通过模拟和实验发现，自适应方案在考虑到开销和有限的估计时间时，与最知名的非自适应方案相比，具有独特的优势。使用优化的自适应协议，我们在1.78吨的范围内实现了6.1±1.7 nt Hz -1/2的磁场灵敏度。这些结果为固态传感器开辟了一类新的实验，其中利用了对测量历史的实时知识以获得最佳性能。量子传感器有可能通过利用对单个量子系统的控制来实现前所未有的灵敏度1,2。在一个突出的示例中，基于与钻石中氮的空位（NV）中心相关的单电子旋转的传感器资本资本利用了旋转的量子相干性以及由原子样电子波函数引起的高空间分解3,4。最近，它开创性实验已经证明了磁场5 - 7，电场8，温度9,10和菌株11的单旋传感。NV传感器有可能对生物学领域12-15，纳米技术16 - 18和材料科学产生革命性的影响。基于自旋的磁力计可以感觉到D.C.通过Zeeman偏移E Z =ħγB=ħ2πfB（其中γ是Gyromag-Netic Batio，而F B是Larmor频率）在两个自旋水平| 0>和| 1>之间。在拉姆西干涉测量实验中，由π/ 2脉冲制备的叠加态（1/2√）（| 0> + 1>）将在感应时间t上演变为（1/2√）（| 0> + e i i或）。可以通过在适当的基础上读取自旋，通过调整第二π /2脉冲的相位ϑ来测量φ=2πfb t。对于以恒定感应时间t重复的拉姆西实验，不确定性σf b随着总感应时间t的降低，为1 /（2πttt√）（标准的测量灵敏度，SMS）。然而，由于信号是周期性的，因此领域的范围也随t而下降，每当|2πfb t |时都会产生歧义。 >π。这导致动态范围为f b，max /σfb≤πt /t√。
基于电路的电子自旋量子比特紧凑模型
摘要：如今，硅片上的电子自旋量子比特似乎是制造未来量子微处理器的一个非常有前途的物理平台。为了打破量子霸权障碍，数千个量子比特应该被封装在一个硅片中。微电子工程师目前正在利用当前的 CMOS 技术将操控和读出电子设备设计为低温集成电路。这些电路中有几个是 RFIC，如 VCO、LNA 和混频器。因此，量子比特 CAD 模型的可用性对于正确设计这些低温 RFIC 起着核心作用。本文报告了一种用于 CAD 应用的基于电路的电子自旋量子比特紧凑模型。本文对所提出的模型进行了描述和测试，并强调和讨论了所面临的局限性。
分子电子自旋量子比特的退相干
图 1：四种钒基配合物的电子-质子超精细耦合与 V- 1 H 分离的关系，包括 B3LYP 计算的各向同性费米接触 (FC) 相互作用和各向异性空间自旋偶极 (SD) 贡献。[VO(C 3 H 6 S 2 ) 2 ] 2– 和 [VO(C 7 H 6 S 6 ) 2 ] 2– 的分子结构显示在数据上方：V - 粉色；O - 红色；S - 黄色；C - 灰色；H - 白色。
硅中电子自旋的量子非破坏读出
虽然单次检测硅自旋量子比特现在已成为实验室常规操作，但大规模量子计算设备中量子误差校正的需求需要量子非破坏 (QND) 实现。与传统方法不同，QND 自旋读出对探测的自旋极化施加的干扰最小，因此可以重复进行以消除测量误差。在这里，我们表明，通过探测与量子比特自旋 Ising 耦合的相邻点中的另一个电子自旋，可以以高度非破坏的方式测量硅中的电子自旋量子比特。高非破坏保真度（平均 99%）使单个自旋状态的读出重复超过 20 次，在 1.2 毫秒内产生高达 95% 的总体平均测量保真度。我们进一步证明，我们的重复 QND 读出协议可以实现预期的高保真度（>99.6%）基态制备。我们基于 QND 的测量和准备，由相同类型的第二个量子位介导，将允许在硅中实现具有电子自旋的多种量子信息协议，而不会损害结构的同质性。
金属离子控制电子基态中光诱导电子自旋极化。
摘要：通过改变金属离子的性质可以控制发色团-自由基复合物电子基态 ( 2 S 0 /D 0 ) 中光诱导电子自旋极化 (ESP) 的符号和强度。该复合物由一个有机自由基 (硝基氮氧化物，NN) 通过一个间位亚苯基桥与一个供体受体发色团共价连接而成，( bpy)M(CAT- m -Ph-NN ) ( 1 ) (bpy = 4,4'-二叔丁基-2,2'-联吡啶，M = Pd II ( 1-Pd) 或 Pt II ( 1-Pt )，CAT = 3-叔丁基儿茶酚酸酯，m -Ph = 间位亚苯基)。在这两种复合物中，可见光的光激发都会产生初始交换耦合、3 自旋（bpy•-、CAT+• = 半醌 (SQ) 和 NN•）、电荷分离双线 2 S 1（S = 发色团激发自旋单线态）激发态，该激发态通过 2 T 1（T = 发色团激发自旋三线态）态迅速衰减到基态。该过程预计不会具有自旋选择性，并且对于 1-Pd 仅发现非常弱的发射 ESP。相反，在 1-Pt 中产生强吸收 ESP。推测零场分裂引起的发色 2 T 1 态与 4 T 1 态（1-Pd 和 1-Pt）之间的跃迁，以及自旋轨道引起的 2 T 1 态与 NN 基四重态（1-Pt）之间的跃迁，导致了极化差异。
基于单个电子自旋和量子点中核自旋集合存储器的量子中继器
受量子点核自旋控制和操纵方面的最新进展的启发，这些进展允许将电子自旋态转移到周围的核自旋集合中进行存储，我们提出了一种量子中继器方案，该方案结合了单个量子点电子自旋和核自旋集合，分别用作自旋光子接口和量子存储器。我们考虑使用嵌入高协同性光学微腔中的低应变量子点。量子点核自旋集合允许长期存储纠缠态，并且预示着纠缠交换是使用腔辅助门执行的。我们重点介绍了实现量子中继器方案所需的量子点技术的进步，该方案有望建立长距离高保真纠缠，其分布速率超过光子的直接传输。
主动与准静态噪声解耦的驱动电子自旋量子比特的相干性
半导体量子点中电子自旋量子比特的相干性主要受到低频噪声的影响。在过去十年中，人们一直致力于通过材料工程来减轻这种噪声，从而大大延长了空闲量子比特的自旋失相时间。然而，人们对自旋操纵过程中环境噪声的作用（决定控制保真度）了解甚少。我们展示了一个电子自旋量子比特，其驱动演化中的相干性受到高频电荷噪声的限制，而不是任何半导体器件固有的准静态噪声。我们采用反馈控制技术来主动抑制后者，证明了砷化镓量子点中 π 翻转门保真度高达 99 . 04 0 . 23%。我们表明，驱动演化的相干性受到 Rabi 频率下的纵向噪声的限制，其频谱类似于同位素纯化硅量子比特中观察到的 1 =f 噪声。
自旋状态制备与测量之间的时间延迟对共价供体 - 受体 - 激进系统中电子自旋传送的影响
摘要：我们最近证明了在共价供体 - 受体 - 自由基（d - a -r•）系统中电子自旋状态的光电量量子传送。在R•带有微波脉冲的特定自旋态制备后，对两步电子传输产生d• + - a-r - 的光激发，其中r•上的旋转状态被传送到d• +。这项研究研究了自旋状态制备和光启发性传送之间变化时间（τd）的影响。使用脉冲电子顺磁共振光谱法，传送导致的D• +的自旋回波显示了使用密度矩阵模型模拟的阻尼振荡，该振荡是对回声行为的基本了解。远程遗传性计算还显示出振荡行为随τD的函数，这是由于⟨s x x和s y⟩之间的相位因子的积累。理解分子系统中量子传送固有的实验参数对于利用这种现象的量子信息应用至关重要。