超薄氧化镁上单个钛吸附原子的自旋态工程

表面上单个原子为何重要

当今的计算机通过数十亿个晶体管移动电荷，而未来的量子机器可能改为把信息存储在单个原子的微小磁矩（或称“自旋”）中。本文探讨科学家如何在精心制备的表面上放置单个钛原子，并有意识地使其进入不同的磁性状态，这是朝着一原子一比特可定制量子比特迈出的重要一步。

为单原子建造游乐场

研究人员在生长于银晶体表面的超薄氧化镁层上开展工作。该绝缘薄层像一层缓冲垫，削弱原子与下面金属的直接接触，有助于保留原子的量子性质。利用扫描隧道显微镜——既能成像又能移动原子——他们将钛原子沉积到薄膜厚度为两层或三层的区域。钛原子在氧化镁格子上会自然落入几个优选位置：正好位于氧原子之上（“O顶位”）或位于两个氧原子之间的“桥位”。

用微小无线天线读取自旋

为了了解这些原子的磁性行为，团队将常规隧道谱与电子自旋共振相结合——该技术用无线电波驱动原子的自旋，同时显微镜探针检测响应。对于许多钛原子——位于两层薄膜两种位置上的原子以及三层薄膜的桥位原子——数据表现出简单的“自旋1/2”特征。此类自旋只有两个能级，是自然的量子比特候选。相比之下，位于三层薄膜氧位的钛原子显示出截然不同的指纹：在常规频率范围内缺乏明确的自旋共振，并在特定电压处出现电流阶跃，表明更高的自旋以及存在固有的各向异性偏好。

通过移动单个原子切换自旋态

这项工作的一个关键进展是科学家可以重新排列单个钛原子，并以可控且可逆的方式观察其自旋态变化。通过用显微镜探针拾取原子并将其放到另一位置，或用电压脉冲将其从相邻位置推移，他们在氧位与桥位之间以及不同薄膜厚度的区域移动钛原子。每次移动后，谱学特征都会在自旋1/2系统与更高自旋系统之间切换。重要的是，这种切换没有显示出诸如与游离氢原子发生永久化学结合等不可逆化学变化的迹象——此前曾对这类变化有所猜测。结果表明，仅局部键合环境和薄膜厚度就足以调节自旋。

借助量子计算一探究竟

为了解同一钛原子为何能承载不同自旋，作者求助于先进的计算模拟。计算表明，在该表面上，钛倾向于向下方金属失去一个电子，表现为带正电荷的离子，约有三个价电子残留。那些电子如何分布在外层轨道中决定了自旋态。在某些位置，两个电子排列以增强磁矩，而第三个部分抵消它，从而产生净自旋为1/2。在其他位置，两个电子更强烈地协同作用，给出自旋为1的情况。某些轨道结合强弱的细微变化——受诸如薄膜高度等细节影响——可以将平衡推向这两种情形之一。

迈向基于表面的定制量子比特

简而言之，这项研究表明，通过选择单个原子在表面上的所在位置以及该表面层的厚度，科学家可以调控该原子是表现为简单的两能级量子比特，还是更复杂的自旋系统。由于这种控制是在不添加额外原子或分子的情况下实现的，它为构建具有定制性质的有序自旋阵列开辟了一条洁净路径。此类原子级工程结构有望成为未来量子器件的构件，这些器件可按原子逐一组装，并借助现代表面科学工具实现精确操作。

引用: Phark, Sh., Bui, H.T., Seo, Wh. et al. Spin-state engineering of single titanium adsorbates on ultrathin magnesium oxide. Nat Commun 17, 1609 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68314-6

关键词: 单原子量子比特, 电子自旋共振, 扫描隧道显微镜, 氧化镁薄膜, 自旋态控制