Один электрон в кремнии: как поймать и повернуть спин экспресс
Кремний — тот самый материал, из которого сделаны процессоры в каждом телефоне и ноутбуке. Теперь в нём научились ловить одиночный электрон и управлять его спином — крошечным магнитом, который может указывать «вверх» или «вниз». Это как держать в руках волчок: его ось можно наклонять и поворачивать, но здесь вместо рук — электрическое поле.
Группа физиков измерила, как спин электрона реагирует на электрические сигналы вблизи особой точки, где два энергетических уровня почти сливаются. Оказалось, что в этой области частота вращения спина резко возрастает. Это происходит из-за смешивания состояний, связанных с долинами — особыми областями в энергетической структуре кремния, где электрон может находиться с разной вероятностью. Вблизи антипересечения уровней электрическое поле начинает действовать на спин так же эффективно, как магнитное.
Чтобы понять, почему эффект так силён, учёные измерили, как разница между двумя долинными состояниями зависит от направления магнитного поля. Для поля, направленного перпендикулярно плоскости устройства, связь между спином и долиной оказалась максимальной. Это согласуется с моделью, где внутри плоскости действует эффективное поле, смешивающее спиновые и долинные состояния. Именно это смешивание позволяет электрическому полю переворачивать спин.
Если научиться быстро и надёжно переворачивать спин одного электрона электрическим сигналом, можно строить квантовые биты без громоздких магнитов и микроволновых антенн. Это шаг к квантовому компьютеру, который поместится в обычный чип.
Спин электрона настолько мал, что для его переворота хватает энергии, в миллиарды раз меньшей, чем нужно для нагрева чайной ложки воды на один градус.
В сериале «Разрабы» квантовый компьютер использует кубиты на основе сверхпроводников, но кремниевые спиновые кубиты могут оказаться более практичными для массового производства.