Read-Out and Coherent Manipulation of an Isolated Nuclear Spin : Using a Single-Molecule Magnet Spin-Transistor

این پایان نامه، اولین دستکاری الکتریکی یک اسپین هسته ای را در سراسر جهان روشن می کند. در طول چهار دهه گذشته، اندازه یک بیت، کوچکترین واحد منطقی در یک کامپیوتر، بیش از دو مرتبه کاهش یافته است و به زودی به حدی می رسد که پدیده های کوانتومی اهمیت پیدا می کنند. با الهام از قدرت مکانیک کوانتومی، محققان قبلاً سیستم های کوانتومی خالص را شناسایی کرده اند که دارای دو حالت قابل کنترل و خواندن هستند، آنالوگ به بیت کلاسیک. در این راستا، اسپین ذاتی الکترون‌ها یا هسته‌ها با دو حالت ویژه آن، اسپین به بالا و پایین، کاندیدای امیدوارکننده‌ای است. نویسنده با استفاده از تخصص در زمینه آهنرباهای تک مولکولی، یک ترانزیستور مولکولی ایجاد کرد که به اطلاعات کوانتومی اجازه می‌دهد تنها با استفاده از یک میدان الکتریکی بر روی یک اسپین هسته‌ای نوشته شوند، و علاوه بر این، خواندن الکترونیکی را ممکن می‌سازد. این حالت کوانتومی این رویکرد جدید، مسیری را برای پرداختن و دستکاری اسپین‌های هسته‌ای منفرد در یک فضای بسیار محدود (یک مولکول) با سرعت بالا باز می‌کند. بنابراین، نویسنده توانست نشان دهد که آهنرباهای تک مولکولی نامزدهای امیدوارکننده ای برای پردازش اطلاعات کوانتومی هستند، که زمینه جدیدی از تحقیقات را به سمت الکترونیک کوانتومی مولکولی آغاز می کند.

This thesis sheds new light on the worldwide first electrical manipulation of a single nuclear spin. Over the last four decades, the size of a bit, the smallest logical unit in a computer, has decreased by more than two orders of magnitude and will soon reach a limit where quantum phenomena become important. Inspired by the power of quantum mechanics, researchers have already identified pure quantum systems, having, analog to a classical bit, two controllable and readable states. In this regard, the inherent spin of electrons or nuclei with its two eigenstates, spin up and spin down, is a promising candidate. Using expertise in the field of single-molecule magnets, the author developed a molecular transistor, which allows quantum information to be written onto a single nuclear spin by means of an electric field only, and, in addition, enables the electronic read-out of this quantum state. This novel approach opens a path to addressing and manipulating individual nuclear spins within a very confined space (a single molecule), at high speed. Thus, the author was able to show that single molecule magnets are promising candidates for quantum information processing, which is triggering a new field of research towards molecular quantum electronics.