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 據(jù)悉，巴塞爾大學(xué)和瑞士納米科學(xué)研究所的研究人員首次做到三能級(jí)系統(tǒng)中的量子干涉，進(jìn)而控制單個(gè)電子自旋的行為。研究使用了新型納米級(jí)機(jī)械振蕩器，其量子系統(tǒng)以金剛石懸臂的形式集成在振蕩器中。研究結(jié)果發(fā)表于《Nature Physics》雜志。

      電子自旋是每個(gè)電子固有的基本量子力學(xué)性質(zhì)。在量子世界中，電子自旋定義為電子圍繞其軸的旋轉(zhuǎn)方向，通常可以有兩個(gè)本征態(tài)“向上”和“向下”。這種旋轉(zhuǎn)的量子特性可應(yīng)用于未來(lái)技術(shù)，例如超精確的量子傳感器。

機(jī)械振蕩器結(jié)合自旋

      Patrick Maletinsky教授和準(zhǔn)博士Arne Barfuss來(lái)自巴塞爾大學(xué)瑞士納米科學(xué)研究所的帶領(lǐng)的研究人員在《Nature Physics》雜志報(bào)告中提出了一種通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)將量子系統(tǒng)與機(jī)械振蕩器結(jié)合起來(lái)控制自旋量子行為的新方法。即研究人員操控被困在“氮空位”中心的自旋電子嵌入由金剛石制成的單晶機(jī)械諧振器中。這些氮空位的旋轉(zhuǎn)十分特殊，不僅具有“向上”和“向下”兩種本征態(tài)，還有第三種--“零”本征態(tài)。利用機(jī)械振蕩器與自旋電子的特殊耦合，他們首次實(shí)現(xiàn)對(duì)這種三能級(jí)系統(tǒng)量子的完全控制。

三種量子態(tài)的控制

      振蕩器可幫助研究人員對(duì)自旋中的三種可能的轉(zhuǎn)變和所產(chǎn)生的激發(fā)通路如何相互干擾進(jìn)行研究。這種“封閉輪廓驅(qū)動(dòng)”的電子自旋現(xiàn)象之前從未被研究過(guò)，研究人員對(duì)其基本原理和實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣。例如，實(shí)驗(yàn)中可做到打破時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，即時(shí)間方向相反而實(shí)際電子沒(méi)有對(duì)應(yīng)反轉(zhuǎn)情況下，系統(tǒng)的屬性就會(huì)完全不同。此時(shí)，機(jī)械振蕩器的相位可確定電子旋轉(zhuǎn)方向?yàn)?ldquo;順時(shí)針”（上，下，零）或是“逆時(shí)針”。

擴(kuò)展連貫性

      與有名的薛定諤貓理論類似，擴(kuò)展連貫性這個(gè)概念雖然抽象，但對(duì)量子態(tài)有實(shí)際的影響。，旋轉(zhuǎn)可以在一定時(shí)期內(nèi)同時(shí)處于兩個(gè)或三個(gè)可用本征態(tài)的疊加，即所謂的量子相干時(shí)間。

      研究人員利用閉合輪廓驅(qū)動(dòng)將三個(gè)本征態(tài)相互耦合，可以顯著延長(zhǎng)相干時(shí)間。與僅驅(qū)動(dòng)三個(gè)可能轉(zhuǎn)換中的兩個(gè)的系統(tǒng)相比，相干性增加了近百倍。這種一致性保護(hù)是未來(lái)量子技術(shù)的關(guān)鍵，也是這項(xiàng)工作的另一個(gè)主要成果。

傳感器技術(shù)方面的應(yīng)用

      目前對(duì)于從納米級(jí)物體出現(xiàn)的隨時(shí)間變化的信號(hào)的精確測(cè)量還很難以其他方式解決，而自旋和振蕩系統(tǒng)的組合顯示出對(duì)自旋相干性的保護(hù)，可提供很好的解決方案。該工作將具有很高的應(yīng)用潛力，未來(lái)混合諧振器-自旋系統(tǒng)可以用于精確測(cè)量頻率在千兆赫范圍內(nèi)的時(shí)間相關(guān)信號(hào) - 例如量子感測(cè)或量子信息處理。