Robuuste geïsoleerde kwantumspins gevestigd op een magnetisch substraat

Het vaststellen van robuuste geïsoleerde spins op vaste oppervlakken is cruciaal voor het fabriceren van kwantumbits of qubits, sensoren en katalysatoren met één atoom. Een geïsoleerde spin is een enkele spin die wordt afgeschermd tegen externe interacties. Omdat geïsoleerde spins hun status voor lange periodes kunnen behouden, zijn ze ideaal voor gebruik als qubits, de basiseenheden van kwantumberekening en voor ultrasnelse spintronic geheugen.

Bijgevolg is aanzienlijk onderzoek gewijd aan het identificeren van materialen die een stabiele geïsoleerde kwantumspin kunnen produceren. Kandidaten omvatten enkele atomen van overgangsmetalen zoals koper (Cu) in het Cu-phthalocyaninemolecuul (CUPC), moleculaire magneten, stikstof-vacancetcentra in diamanten en tweedimensionale gelaagde materialen.

Een manier om een geïsoleerde spin te detecteren, is door een nul-bias piek (ZBP) te observeren in de elektrische geleidbaarheid van bijvoorbeeld een edelmetaalsubstraat dat een CUPC-molecuul bevat. De ZBP is het gevolg van de interactie tussen geleidingselektronen op het substraat en de geïsoleerde spin.

Tot nu toe is de engineering van deze ZBP’s voornamelijk beperkt tot edelmetaaloppervlakken, zoals goud en zilver. Deze oppervlakken zijn rijk aan geleidingselektronen, die, hoewel nuttig voor ZBP, ook een spin kunnen verspreiden en zijn toestand kunnen omdraaien, waardoor deze de intrinsieke spinstaat verstoort. Dit maakt ze ongeschikt voor gebruik als qubits. Als oplossing hebben onderzoekers zich gewend tot isolerende films, die geen geleidingselektronen hebben en stabielere spins kunnen hosten.

In een doorbraak toonde een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Toyo Kazu Yamada van de Graduate School of Engineering aan de Chiba University, Japan, geïsoleerde spins op een isolerend vast oppervlak dat over een magnetisch substraat is gelegd.

“In deze studie hebben we met succes geïsoleerde spins gerealiseerd op een isolerend magnesiumoxide (MGO) -oppervlak geplaatst op een ferromagnetisch ijzersubstraat -FE (001),” legt Dr. Yamada uit. “Aangezien isolerende oppervlakken geen geleidingselektronen hebben, kunnen kwantumspins stabieler blijven. Bovendien wordt de MGO/Fe (001) -structuur die we hebben gebruikt al veel gebruikt in spintronics, waardoor onze aanpak zeer toegankelijk is.”

Het team omvatte ook de heer Kyoei Ishi, Dr. Nana Nazriq en Dr. Peter Krüger, ook van de Chiba University. Hun studie was gepubliceerd in het dagboek Horizon op nanoschaal op 30 juli 2025.

De onderzoekers concentreerden zich in de studie op het plaatsen van een CUPC -molecuul op een MGO/Fe (001) -interface. De eerste hindernis waarmee ze werden geconfronteerd, was om een atomisch platte MGO -laag te laten groeien op een Fe (001) substraat. Ze ontdekten dat het ontwikkelen van een zuurstofcoating op Fe (001) een atomisch vlak oppervlak kan bieden.

Hierdoor konden ze epitaxiaal een platte MGO-film groeien op het zuurstofcoate Fe (001) -substraat met behulp van chemische dampafzetting in een ultrahoge vacuüm. Ten slotte, na vallen en opstaan, adsorbeerden ze met succes een CUPC -molecuul op het isolerende MGO -oppervlak.

“Een uniek kenmerk van ons ontwerp is het gebruik van een ferromagnetisch ijzersubstraat”, zegt Dr. Yamada. “Hoewel een magnetisch oppervlak normaal zou interageren met en de toestand van een geïsoleerde spin zou veranderen, voorkomt de isolerende laag tussen het substraat en het CUPC -molecuul directe interactie, waardoor de spin stabiel blijft.”

Om de aanwezigheid van geïsoleerde spins te bevestigen, voerden ze scant -tunnelingspectroscopie van het gefabriceerde monster uit en zochten ze naar een ZBP. Omdat MGO geen geleidingselektronen heeft, verwachtten ze in eerste instantie niet dat een ZBP zou verschijnen. Bij nauwkeurig onderzoek zagen ze echter duidelijk een duidelijke ZBP die naar voren kwam via indirecte koppeling van de geïsoleerde spin- en geleidingselektronen in het Fe (001) -substraat door het MGO -oppervlak.

Dit suggereert dat isolerende films de vorming van geïsoleerde spins kunnen ondersteunen, zelfs op ferromagnetische stoffen. Interessant is dat de ZBP ook op het MGO -oppervlak buiten de CUPC verscheen, dat niet wordt gevonden in edelmetaaloppervlakken.

“Onze studie markeert een opmerkelijke prestatie voor onderzoek naar geïsoleerde spins”, merkt Dr. Yamada op. “Omdat het MGO/Fe (001) oppervlak al veel wordt gebruikt in tunnelmagnetoresistentie-apparaten, suggereren onze bevindingen dat het mogelijk kan zijn om qubits te integreren met behulp van bestaande dunne-film fabricagemethoden.”

Deze studie opent een nieuwe richting voor geïsoleerd spin -onderzoek, dat magnetische substraten poseren, al veel gebruikt in spintronic -apparaten, als een nieuw platform voor het vasthouden en manipuleren van qubits, waarbij de weg wordt vrijgemaakt voor meer toegankelijke kwantum computing.