Спины в малоэлектронных квантовых точках

Каноническим примером квантово-механической двухуровневой системы является спин. В простейшем представлении спин — это магнитный момент, направленный вверх или вниз. Полные квантовые свойства спина проявляются в таких явлениях, как суперпозиции спиновых состояний, запутанность спинов и квантовые измерения. Многие из этих явлений наблюдались в экспериментах с ансамблями частиц, обладающих спином. Лишь в последние годы были созданы системы, в которых можно удерживать отдельные электроны и изучать их квантовые свойства, избегая тем самым ненужного усреднения по ансамблю. В этом обзоре описаны эксперименты с квантовыми точками — наноразмерными «боксами», сформированными в материале полупроводниковой матрицы. Квантовые точки могут содержать точно заданное, но регулируемое число электронных спинов: 0, 1, 2 и т. д. Для измерений переноса заряда можно создавать электрические контакты, а электростатические затворы использовать для управления потенциалом точки. Эта система обеспечивает практически полный контроль над отдельными электронами. Данная новая технологическая платформа стимулирует исследования отдельных спинов. В обзоре с точки зрения экспериментатора рассматривается физика спинов в квантовых точках, содержащих один или два электрона. Представлены различные методы извлечения характеристик спина из эксперимента, причем рассматриваются исключительно электрические измерения. Кроме того, обсуждаются экспериментальные методы, позволяющие (1) переводить спин электрона в суперпозицию состояний «вверх» и «вниз», (2) измерять квантовое состояние отдельного спина и (3) управлять взаимодействием между двумя соседними спинами посредством обменного взаимодействия Гейзенберга. Наконец, рассматривается физика соответствующих механизмов релаксации и дефазировки, а экспериментальные результаты сравниваются с теориями спин-орбитального и сверхтонкого взаимодействий. Все эти темы непосредственно связаны с областями квантовой обработки информации и спинтроники с одиночными спинами (то есть одиночными spi...