Особое внимание в книге уделяется методам экспериментального обнаружения спина единичного электрона с помощью адиабатических обращений, вызываемых осциллирующим кантилевером (метод OSCAR). <...> Гамильтониан и основное уравнение системы спин –КК . <...> Периодические переориентации спина, возбуждаемые π-импульсами, в магнитно-резонансной силовой микроскопии (МРСМ) . <...> Декогерентность и тепловая диффузия для КК . <...> Метод адиабатических обращений, вызываемых осциллирующим кантилевером (OSCAR) в МРСМ . <...> Динамика системы спин–КК в методе OSCAR . <...> Частотный сдвиг в методе OSCAR для реалистической задачи 99 ГЛАВА 11. <...> Магнитный шум и спиновая релаксация в методе OSCAR . <...> Измерение перепутанного состояния и квантовые вычисления . <...> Измерение перепутанного спинового состояния методом МРСМ . <...> Спиновая диффузия в присутствии неоднородного магнитного поля . <...> Подавление спиновой диффузии в спиновом квантовом компьютере . <...> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Предисловие Магнитно-резонансная силовая микроскопия (МРСМ) — быстро развивающаяся область, которая зародилась в 1990-е гг. и вскоре объявила о первой регистрации спина единичного электрона, находящегося внутри непрозрачного твердого вещества. <...> Экспериментальная реализация односпиновой МСМ находится за пределами современных экспериментальных возможностей. <...> Так, теория односпиновой МСМ объясняет суть системы спин-кантилевер. <...> В рамках этой методики периодическая последовательность ВЧ π-импульсов возбуждает периодические переориентации спина, которые, в свою очередь, усиливают вибрации кантилевера. <...> ВВЕДЕНИЕ 3 зуемых в методах МРСМ для подавления спиновой диффузии и спиновой релаксации. <...> Если прочитать главу 2 (в которой изложена квазиклассическая теория магнитного резонанса) и опустить все «квантовые разделы» книги, то, даже будучи не знакомым с явлением магнитного резонанса и квантовой механикой, можно понять основные принципы МРСМ. <...> Квазиклассическое описание Хотя спин есть квантовый <...>
Магнитно-резонансная_силовая_микроскопия_и_односпиновые_измерения.pdf
УДК 537
ББК 22.334.2
М126
Издание осуществлено при финансовой поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований
по проекту №08-02-07065.
БерманГ.П., БоргоновиФ., ГоршковВ.Н., ЦифриновичВ.И.
Магнитно-резонансная силовая микроскопия и односпиновые измерения. —
М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевский институт
компьютерных исследований, 2010. — viii+196 с.
Магнитно-резонансная силовая микроскопия (МРСМ) –– быстро развивающаяся
область, которая зародилась в 1990-е годы и не так давно достигла зрелости,
объявив о первой регистрации спина единичного электрона, находящегося внутри
непрозрачного твердого вещества. Дальнейшее развитие методов МРСМ окажет
огромное влияние на многие отрасли науки и техники, включающие физику, химию,
биологию и даже медицину. Целью данной книги является описание основных
принципов современной теории МРСМ и ее приложений. Особое внимание в книге
уделяется методам экспериментального обнаружения спина единичного электрона
с помощью адиабатических обращений, вызываемых осциллирующим кантилевером
(метод OSCAR). Книга также содержит ценные экспериментальные данные,
которые, несомненно, пригодятся ученым, работающим в области квантовой физики
или магнитного резонанса. Даже если читатель не знаком с квантовой механикой
и явлением магнитного резонанса, он сможет понять и по достоинству оценить основные
принципы МРСМ.
ISBN 978-5-93972-811-9
c
ББК 22.334.2
-World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 2006
Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена
или передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было
средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись
на магнитный носитель, или при помощи любой другой системы хранения
и обработки информации, если на то нет письменного разрешения издательства.
Перевод на русский язык публикуется с разрешения издательстваWorld Scientific
Publishing Co. Pte Ltd, Сингапур.
-Перевод на русский язык:
НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010
c
http://shop.rcd.ru
Стр.4
Оглавление
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
ГЛАВА 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
ГЛАВА 2. Спиновая динамика. Квазиклассическое описание . . 4
ГЛАВА 3. Спиновая динамика. Квантовое описание . . . . . . . . 14
ГЛАВА 4. Механические вибрации кантилевера . . . . . . . . . . 22
ГЛАВА 5. Регистрация единичных спинов в магнитно-силовой
микроскопии (МСМ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.1. Статическое смещение конца кантилевера (КК) . . . . . . . . 29
5.2. Время декогерентности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
ГЛАВА 6. Переходный процесс в МСМ. Точное решение основного
уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.1. Гамильтониан и основное уравнение системы спин –КК . . . 36
6.2. Решение для диагональных по спину матричных элементов . 40
6.3. Решение для недиагональных по спину матричных элементов 46
ГЛАВА 7. Периодические переориентации спина, возбуждаемые
π-импульсами, в магнитно-резонансной силовой микроскопии
(МРСМ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
ГЛАВА 8. Осциллирующие адиабатические переориентации спина,
вызываемые частотно-модулированным высокочастотным полем
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.1. Шрёдингеровская динамика системы КК– спин . . . . . . . . 57
8.2. Декогерентность и тепловая диффузия для КК . . . . . . . . . 68
Стр.5
vi
ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 9. Метод адиабатических обращений, вызываемых осциллирующим
кантилевером (OSCAR) в МРСМ . . . . . . . . . . 74
9.1. Динамика спин –КК. Обсуждение и оценка . . . . . . . . . . . 75
9.2. Экспериментальная регистрация единичного спина . . . . . . 82
ГЛАВА 10. Динамика системы спин–КК в методе OSCAR . . . . 85
10.1. Квазиклассическая теория. Простая геометрия . . . . . . . . . 85
10.2. Квантовая теория метода OSCAR в МРСМ . . . . . . . . . . . 92
10.3. Частотный сдвиг в методе OSCAR для реалистической задачи 99
ГЛАВА 11. Магнитный шум и спиновая релаксация в методе
OSCAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
11.1. Релаксация в спиновом ансамбле по методу OSCAR . . . . . 112
11.2. Уменьшение магнитного шума . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
11.3. Простая модель квантовых скачков . . . . . . . . . . . . . . . 132
11.4. Уменьшение частотного сдвига . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
ГЛАВА 12. Применение МРСМ. Измерение перепутанного состояния
и квантовые вычисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
12.1. Измерение перепутанного спинового состояния методом
МРСМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
12.2. Спиновый квантовый компьютер на основе МРСМ . . . . . . 148
ГЛАВА 13. МетодыМРСМ и спиновая диффузия . . . . . . . . . 161
13.1. Спиновая диффузия в присутствии неоднородного магнитного
поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
13.2. Подавление спиновой диффузии в спиновом квантовом компьютере
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
ГЛАВА 14. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
14.1. Аббревиатуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
14.2. Префиксы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
14.3. Условные обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Стр.6