使用原子力显微镜探测单电子自旋

　　德国雷根斯堡年夜学的研究团队将电子自旋共振与原子力显微镜相联合，胜利地对单个份子中的单个电子自旋正在数十微秒内完成相关把持。该研究有助于懂得份子体系的退相关正在原子标准上的潜正在机制，并无望用于量子计较、量子传感等范畴。

　　© Nature研究论文以《原子力显微镜下的单份子电子自旋共振(Single-molecule electron spin resonance by means of atomic force microscopy)》为题颁发于《天然》杂志。

　　电子自旋共振(ESR)是化学物资光谱表征的重要东西。它依赖于共振地转变电子的自旋状况。该技能还可以用于节制这些量子态，而且与量子计较、量子传感以及其余范畴相干。

　　为了得到可检测的旌旗灯号，ESR凡是需求检测年夜量（至多10¹⁰个）份子的平均相应。而扫描地道显微镜则可以发生单个原子或份子的图象，以至可以许可它们随便挪动到所需的纳米布局中。这两种技能的整合可以将量子态把持与对单个原子份子的应用联合起来，如许就能够丈量单个原子的ESR旌旗灯号，以至可以用几个原子举行量子计较。

　　然而，扫描地道显微镜需求让电畅通流畅过体系，这象征着被研究的单个电子自旋会遭到数百万个其余流经的电子自旋的滋扰。这粉碎了单自旋的量子相关性，也就粉碎了其量子态包括的信息。要是可以或许防止滋扰电流，量子态将正在更长的时间内坚持相关，这将无利于量子计较等使用。

　　原子力显微镜是一种与扫描地道显微镜相干的技能，但它没有依赖于电流。研究团队发明，原子力显微镜可以丈量单个份子的特定自旋态—三重态—的寿命。这类三重态是由两个未配对的电子造成的，可以经由过程ESR光谱来表征份子。研究团队测验考试把持这类自旋状况，方针是转变三重态的寿命，从而使原子力显微镜可以或许检测到ESR旌旗灯号。

　　把持自旋需求振荡的射频磁场。为此，研究团队正在样品中完成了一个微型导体，并经由过程向其发送射频电流来发生振荡磁场。研究团队将单个份子放置正在微型导体上，并用绝缘层将其离隔，进而经由过程丈量三重态寿命来检测ESR旌旗灯号。

　　© Nature用于丈量单个份子的电子自旋共振 -原子力显微镜旌旗灯号的安装示用意

　　研究团队测患上的ESR旌旗灯号脚够清楚，甚至于纵然电子自旋与份子华夏子核的弱小耦合也能经由过程旌旗灯号外形的变迁而被察看到。是以，研究团队可以很容易地域分仅正在同位素构成上存正在差异的份子。研究团队还察看到了电子正在两个自旋态之间履历很多周期的振荡，这标明量子态正在几十微秒的时间内坚持了相关。

　　该成果标明，将电子自旋共振以及原子力显微镜相联合可以正在永劫间标准上把持量子自旋，也能够哄骗高光谱辨别率来丈量电子自旋共振旌旗灯号。这一联合最值患上注重的特色是，它可以或许正在原子标准上对单个份子及其四周情况举行成像以及表征，于是许可正在各类原子情况中研究自旋的量子特征，并使量子相关性等特性与份子的方圆原子间接接洽起来。人们以至有可能经由过程巧妙地把持一个份子的四周情况来察看其是怎样影响量子特征的。

　　到今朝为止，研究团队只正在份子上方的特定位置丈量了ESR旌旗灯号，下一步显然是正在份子上方绘制ESR旌旗灯号的空间图。这以至可能让某些同位素局域正在单个份子中，从而辅助研究职员相识份子彼此反映时原子是怎样从头摆列的。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06754-6

报导链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03650-x