近日，来自阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和北伊利诺伊大学（Northern Illinois University）的研究人员开发了一种利用光检测和控制钙钛矿材料中电子自旋的方法，这可能会推动量子传感器和量子计算机等量子技术应用的发展。通过将钕元素引入钙钛矿材料中，科学家们延长了激子（excitons）的寿命，并使用钕作为探针来观察和控制电子自旋，这一进展可能会促使新型量子设备的出现。这项研究提供了一种很有前途的方法来创造出能够纠缠多个电子自旋的材料，从而有可能为量子计算提供更高效的量子比特材料。
许多科学家正在研究不同的材料，以探索它们在量子技术中的潜在用途。这些材料中的原子一个重要特征称为自旋。科学家们希望控制原子自旋以开发新型材料，称为自旋电子学。新材料可用于进行超精密测量等先进技术的存储设备和量子传感器。
在最近的一项突破中，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和北伊利诺伊大学的研究人员发现，他们可以使用光来检测一类称为钙钛矿（具体来说，在这项研究中是甲基铵铅碘化物，或称MAPbI3）的材料中的自旋状态。钙钛矿有许多潜在用途，从太阳能电池板到量子技术。
要理解自旋，可以想象电子围绕原子核运动。当原子紧密排列时，它们可以共享一些外层电子，从而在它们之间形成化学键。每个化学键都包含两个“配对”的电子，这意味着它们共享一个轨道——即它们移动的路径。
现在，这些成对电子中的每一个都具有两种可能的自旋状态：自旋上升或自旋下降。如果一个电子是自旋向上的，另一个就是自旋向下的。由于我们不能在不观察它们的情况下确切知道哪个电子具有哪种自旋，因此我们说它们处于量子叠加态——在被观察到之前，它们既是自旋向上又是自旋向下的状态。
“通过将钕元素的浓度调节到激子的浓度，我们最终可以使用钕作为一种探针来探测激子中的自旋。”— Saw Wai Hla，阿贡物理学家
这与量子计算中使用的概念相同。量子比特，或称量子位，可以同时表示0和1，这与只能表示0或1的经典比特不同。这使得量子计算机在某些方面比传统计算机强大得多。
识别和控制电子自旋是制造计算机和传感器等量子设备的关键。
在实验中，研究人员使用光来激发钙钛矿材料中两个成对电子中的一个。这导致电子跃迁到更高的能级，这样在较低能级中就留下一个“空洞”。这种由一个被激发的电子和一个“空洞”组成的配对称为激子。
激子是在光能被转换成电势能时形成的。通常，激子不会持续很长时间，因为被激发的电子最终会落回“空洞”中，这个过程称为复合，会释放光。在MAPbI3中，这样的激子通常只持续几十纳秒。
由北伊利诺伊大学教授TaoXu领导的研究小组发现了一种可以将激子寿命延长十倍以上的方法。他们通过在材料中添加一种叫做钕的稀土金属来实现这一点。钕原子的外层轨道上具有未配对的电子，这使其成为与激子电子相互作用的最佳“候选人”。
在激子中被提升到更高轨道的电子最终也会部分占据钕原子中的一条轨道。这与钕原子中的局域自旋形成了一个自旋纠缠态。钕原子中的纠缠电子仍然与其在钙钛矿中的伴侣电子相连。即使它们处于不同的轨道，它们仍然可以相互“交流”，这为科学家们提供了有关该材料可用于量子传感的相关信息。
“我们可以使用钕作为探针来观察激子中的自旋，“该研究的合著者、阿贡国家实验室的物理学家Saw Wai Hla说。
“要点是，我们可以通过激子中的各个电子与钕原子的相互作用来与它们进行通信。这很令人兴奋，因为通常这些电子只会衰变并释放光，“另一位合著者、阿贡国家纳米实验室的科学家Benjamin Diroll说。
据TaoXu教授介绍，钕在相对较低的磁场下可以作为量子传感器工作。但如果磁场太强，钕中的自旋就会被锁定，与激子的连接就会中断。
“令人兴奋的是，通过调整钕的浓度，我们可以检测到激子的自旋。这可能使我们能够纠缠多达 10 个电子自旋，这将是一种非常有趣的可以用于量子计算机制造的特殊材料。”TaoXu教授说。
如果没有阿贡国家实验室提供的许多先进的科学技术，这项研究是不可能进行的。研究人员广泛使用了阿贡国家实验室的纳米级材料研究中心（CNM），这是美国能源部科学办公室的科研设施。在CNM中，Hla 和 Kyaw Zin Latt 进行了扫描隧道显微镜测量。此外，Christopher Fry进行了电子顺磁共振测量，Yuzi Liu 进行了透射电子显微镜研究，John Pearson 进行了磁性测量，Diroll 进行了光致发光光谱研究。最后，Richard Schaller 对实验结果进行了解读，并对电子纠缠态作出进一步的阐述。
此外，阿贡国家实验室材料科学部的Taewoo Kim 和 Justin G. Connell 为对紫外光电子能谱研究做出了贡献，而来自阿贡国家实验室化学科学与工程部的 Zhenzhen Yang 进行了 X 射线光电子能谱和扫描电子显微镜研究。
基于该研究的一篇文章发表在《Nature Communications》上。该研究由美国能源部基础能源科学办公室和美国国家科学基金会资助。
