近年來，量子系統的研究取得了顯著進展，特別是在單個自旋的控制和操縱方面。雖然傳統的自旋操控方法依賴于磁場，但最近的研究探索了利用電流實現這一目標。特別是，自旋扭矩的概念已經成為一種強大的自旋動力學控制工具。最近發表在《科學》的一項開創性的實驗，研究人員成功地利用自旋扭矩在單個并五苯分子中激發了電子順磁共振。

背景

電子順磁共振（EPR）是一種光譜技術，用于檢測樣品中未配對的電子。它涉及將樣品置于靜態磁場中，然后施加微波輻射。當微波的能量與電子自旋態之間的能量差相匹配時，就會發生共振，電子吸收輻射。傳統的EPR方法依賴于時間依賴的磁場來誘導自旋態之間的躍遷。然而，最近的進展引入了使用自旋極化電流來實現類似效果的方法。這種方法稱為自旋扭矩，利用自旋極化電流的角動量傳遞到局域自旋，實現對自旋態的精確控制。

自旋扭矩是一種現象，其中自旋極化電流的角動量傳遞到局域自旋，導致其進動。這種效應在傳統磁場難以應用的納米尺度系統中特別有用。自旋扭矩機制可以通過自旋極化電子與局域自旋之間的交換相互作用來理解。這種相互作用產生的扭矩驅動局域自旋的進動，類似于傳統EPR中磁場的作用。

實驗裝置

在這項開創性的研究中，科學家們使用掃描隧道顯微鏡（STM）來操縱吸附在銅表面上的單個并五苯分子。STM尖端充當自旋極化電流的源，該電流被注入分子中。通過仔細調整電流的頻率，研究人員能夠誘導并五苯分子中未配對電子的自旋態之間的共振躍遷。

實驗裝置經過精心設計，以確保對自旋扭矩的精確控制。STM尖端定位在并五苯分子上方，允許精確注入電流。分子置于磁場中，為電子自旋定義量化軸。自旋極化電流通過對STM尖端施加電壓偏壓產生，在尖端的電子態中產生非平衡自旋分布。

結果與討論

實驗結果明確地表明，自旋扭矩可以用來驅動單個分子的EPR。通過監測隧道電流隨施加電壓和磁場的變化，研究人員觀察到清晰的共振峰，表明電子自旋吸收了能量。觀察到的共振頻率與EPR躍遷的預期值相匹配，為成功激發自旋提供了強有力的證據。此外，一個關鍵發現是自旋轉移扭矩的耗散性質，這與傳統磁場的非耗散作用形成對比。這種耗散允許控制退相干，為操控量子態提供了新的途徑。

使用自旋扭矩控制單個自旋在量子信息處理和自旋電子學方面具有重要意義。對自旋態的精確控制使得開發用于量子計算的量子比特成為可能。此外，在自旋電子學設備中使用自旋極化電流可以帶來更高效和可擴展的數據存儲和處理技術。

結論

自旋扭矩驅動的電子順磁共振代表了量子系統控制方面的重大進展。通過利用自旋極化電流，研究人員可以實現對單個自旋的精確操控，為量子計算和自旋電子學開辟了新的可能性。對并五苯分子中單個自旋的研究突顯了這一技術的潛力，并為量子控制領域的進一步探索奠定了基礎。

這項研究的發現不僅增強了我們對自旋動力學的理解，還為技術應用開辟了創新的途徑。隨著該領域的不斷發展，自旋扭矩驅動的EPR有望在下一代量子設備的發展中發揮關鍵作用。