Ученые создали устойчивые изолированные квантовые спины на магнитной подложке

(a) Сканирующая туннельная микроскопия поверхности MgO/O/Fe(001) после осаждения CuPc в 3D-режиме: (5 × 5 нм², V_s = +0,3 В, I_t = 500 пА). Нижняя панель: Схема измерения пика нулевого смещения (ZBP) с использованием единичного молекулярного спина в системе MTJ. (b) Топографическое изображение СТМ (10 × 10 нм², V_s = −2,0 В, I_t = 50 пА) и одновременно полученные карты dI/dV при −1,3 В, 0 В и +2,0 В. (c) Спектры dI/dV, измеренные на молекуле CuPc. Автор: Nanoscale Horizons (2025). DOI: 10.1039/D5NH00192G

Создание устойчивых изолированных спинов на твердых поверхностях имеет решающее значение для разработки квантовых битов (кубитов), сенсоров и катализаторов на основе отдельных атомов. Изолированный спин — это одиночный спин, защищенный от внешних взаимодействий. Поскольку изолированные спины могут сохранять свое состояние в течение длительного времени, они идеально подходят для использования в качестве кубитов — основных единиц квантовых вычислений — и для сверхбыстрой спинтронной памяти.

Значительные исследования были посвящены поиску материалов, способных создавать стабильный изолированный квантовый спин. Кандидатами являются отдельные атомы переходных металлов, таких как медь (Cu) в молекуле фталоцианина меди (CuPc), молекулярные магниты, азотные вакансии в алмазах и двумерные слоистые материалы.

Один из способов обнаружения изолированного спина — наблюдение пика нулевого смещения (ZBP) в электропроводности, например, благородного металлического субстрата, содержащего молекулу CuPc. ZBP возникает в результате взаимодействия между электронами проводимости на подложке и изолированным спином.

До сих пор создание этих ZBP в основном ограничивалось поверхностями благородных металлов, таких как золото и серебро. Эти поверхности богаты электронами проводимости, которые, хотя и полезны для ZBP, также могут рассеивать спин и изменять его состояние, нарушая собственное спиновое состояние. Это делает их непригодными для использования в качестве кубитов. В качестве решения исследователи обратились к изолирующим пленкам, в которых отсутствуют электроны проводимости и которые могут содержать более стабильные спины.

В прорывном исследовании команда под руководством доцента Тойо Кадзу Ямады из Высшей школы инженерии Университета Тиба (Япония) продемонстрировала изолированные спины на изолирующей твердой поверхности, размещенной на магнитной подложке.

«В этом исследовании мы успешно реализовали изолированные спины на изолирующей поверхности оксида магния (MgO), размещенной на ферромагнитной железной подложке Fe(001), — объясняет доктор Ямада. — Поскольку на изолирующих поверхностях нет электронов проводимости, квантовые спины могут оставаться более стабильными. Более того, структура MgO/Fe(001), которую мы использовали, уже широко применяется в спинтронике, что делает наш подход highly доступным».

В команду также вошли г-н Кёэй Исии, доктор Нана Назрик и доктор Петер Крюгер, также из Университета Тиба. Их исследование было опубликовано в журнале Nanoscale Horizons 30 июля 2025 года.

Исследователи сосредоточились на размещении молекулы CuPc на границе раздела MgO/Fe(001). Первой проблемой, с которой они столкнулись, было выращивание атомарно плоского слоя MgO на подложке Fe(001). Они обнаружили, что создание кислородного покрытия на Fe(001) может обеспечить атомарно плоскую поверхность.

Это позволило им эпитаксиально вырастить плоскую пленку MgO на кислородном покрытии подложки Fe(001) с помощью химического осаждения из паровой фазы в сверхвысоком вакууме. Наконец, после проб и ошибок они успешно адсорбировали молекулу CuPc на изолирующую поверхность MgO.

«Уникальной особенностью нашей конструкции является использование ферромагнитной железной подложки, — говорит доктор Ямада. — Хотя магнитная поверхность обычно взаимодействует с изолированным спином и изменяет его состояние, изолирующий слой между подложкой и молекулой CuPc предотвращает прямое взаимодействие, сохраняя спин стабильным».

Чтобы подтвердить наличие изолированных спинов, они провели сканирующую туннельную спектроскопию изготовленного образца и искали ZBP. Поскольку в MgO отсутствуют электроны проводимости, они изначально не ожидали появления ZBP. Однако при тщательном изучении они четко наблюдали явный ZBP, который возник благодаря косвенной связи изолированного спина и электронов проводимости в подложке Fe(001) через поверхность MgO.

Это говорит о том, что изолирующие пленки могут поддерживать образование изолированных спинов даже на ферромагнитных веществах. Интересно, что ZBP также появился на поверхности MgO вне CuPc, что не встречается на поверхностях благородных металлов.

«Наше исследование знаменует собой выдающееся достижение в исследованиях изолированных спинов, — отмечает доктор Ямада. — Поскольку поверхность MgO/Fe(001) уже широко используется в устройствах с туннельным магнитосопротивлением, наши результаты позволяют предположить, что может быть возможна интеграция кубитов с использованием существующих методов изготовления тонких пленок».

Это исследование открывает новое направление для исследований изолированных спинов, предлагая магнитные подложки, уже широко используемые в спинтронных устройствах, в качестве новой платформы для удержания и манипулирования кубитами, прокладывая путь к более доступным квантовым вычислениям.

Дополнительная информация: Kyosei Ishii et al, Emergence of a zero-bias peak on the MgO/Fe(001) surface induced by the adsorption of a spin-1/2 molecule, Nanoscale Horizons (2025). DOI: 10.1039/D5NH00192G

Источник: Chiba University