科学家证明了电子自旋传递量子信息的潜力

磁振子波包在反铁磁体中的传播在使用激光脉冲对获得的这些快照中显示。图片来源：约瑟夫·奥伦斯坦/伯克利实验室

电子的自旋是自然界的完美量子比特，能够将信息存储的范围扩展到“一”或“零”之外。利用电子的自旋自由度（可能的自旋态）是量子信息科学的核心目标。

劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）研究人员约瑟夫·奥伦斯坦（Joseph Orenstein）、孙岳（Yue Sun）、姚杰（Jie Yao）和孟方浩（Fanghao Meng）的最新进展表明，磁振子波包（电子自旋的集体激发）在一类称为反铁磁体的材料中远距离传输量子信息的潜力。

他们的工作颠覆了关于这种激励如何在反铁磁体中传播的传统理解。即将到来的量子技术时代——计算机、传感器和其他设备——取决于远距离保真地传输量子信息。

奥伦斯坦及其同事在《自然物理学》上发表的一篇论文中报道了他们的发现，希望离这些目标更近一步。他们的研究是伯克利实验室更广泛努力的一部分，旨在通过在整个量子研究生态系统中工作，从理论到应用，制造和测试基于量子的设备以及开发软件和算法来推进量子信息。

电子自旋负责材料中的磁性，可以被认为是微小的条形磁铁。当相邻的自旋以交替方向取向时，结果是反铁磁有序，并且该排列不会产生净磁化强度。

为了了解磁振子波包如何在反铁磁材料中移动，Orenstein的研究小组使用成对的激光脉冲来扰乱一个地方的反铁磁秩序，同时在另一个地方进行探测，从而产生它们传播的快照。这些图像显示，磁振子波包向各个方向传播，就像掉落的鹅卵石在池塘上的涟漪一样。

伯克利实验室的研究小组还表明，反铁磁体CrSBr（硫化铬溴化铬）中的磁振子波包传播速度更快，距离更长。这些模型假设每个电子自旋只耦合到它的邻居。一个类比是通过弹簧连接到近邻的球体系统;将一个球体从其首选位置移位会产生随时间扩散的位移波。

令人惊讶的是，这种相互作用预测的传播速度比团队实际观察到的要慢几个数量级。

“然而，回想一下，每个旋转的电子就像一个微小的条形磁铁。如果我们想象用代表旋转电子的微小条形磁铁代替球体，情况就会完全改变，“奥伦斯坦说。“现在，不是局部相互作用，而是通过相同的远程相互作用将冰箱磁铁拉到冰箱门上，每个条形磁铁在整个系统中相互耦合。”

更多信息：Yue Sun 等人，范德华反铁磁体中的偶极自旋波包传输，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02387-2

期刊信息： Nature Physics