Спин электрона часто существует сам по себе, имея мало общего с движением самого электрона или соседних атомов. Но теоретические работы, представленные учеными из Венгрии, показывают, что спин отдельного электрона, замкнутого в ловушке на углеродной нанотрубке, может оказывать влияние на колебания этой нанотубки. В опубликованной работе ученые предвидят использование этого спин-механического взаимодействия в наноразмерных датчиках массы или в процессе обработки информации элементами квантового компьютера.

Спин электрона чаще всего демонстрирует свое присутствие с помощью различных «тонких» явлений. К примеру, один электронный уровень атома может превратиться в два близко расположенных уровня из-за так называемого спин-орбитального взаимодействия. По сути, движение электрона вокруг ядра создает эффективное магнитное поле, которое обуславливает то, что электроны с разнонаправленными спинами имеют разные энергии. Подобного рода взаимодействие было недавно обнаружено и в углеродных нанотрубках. В этих структурах делокализованные электроны, не ассоциированные с какими-то конкретными атомами, вращаются по кругу вокруг трубки. Как и в атоме, это движение обуславливает наличие различной энергии у электронов с разнонаправленными спинами.

Связь между спином электрона и цилиндрической геометрией нанотрубки позволяет предположить, что движение нанотрубки может изменить спин, и наоборот. Подтвердить этот факт в своей теоретической работе взялась группа ученых из Eötvös University (Венгрия).

В разработанной ими модели ученые предположили, что нанотрубка закреплена за два провода, расстояние между которыми – порядка 0,5 микрон. При этом на нанотрубке «заперт в ловушке» один единственный электрон. К системе применено внешнее магнитное поле, направленное вдоль оси нанотрубки, которое расщепляет состояние электрона на два энергетических подуровня, соответствующих двум направлениям его спина (в направлении магнитного поля и против него).

Колебания нанотрубки могут быть возбуждены при помощи радиоволн, настроенных на ее резонансную частоту, как это делается во многих других экспериментах. Ученые утверждают, что в этом случае изменения в форме нанотрубок будут изменять орбитальный путь электронов.

И из-за сильного спин-орбительного взаимодействия спин электрона будет переключаться между двумя состояниями.

Теоретики установили, что

для достижения максимального эффекта при переключении, магнитное поле должно быть установлено таким образом, чтобы разность энергий двух спиновых состояний соответствовала энергии колебаний нанотрубки.

В ходе теоретических изысканий ученые обнаружили, что система имитирует хорошо изученный случай атома в оптическом резонаторе, который может поглощать или испускать свет той длины волны, для которой целое число полуволн соответствует длине резонатора. Аналогичным образом в описанной системе взаимно влияют друг на друга звуковые волны (или фононы) при вибрации нанотрубки и переход между двумя спиновыми состояниями. К слову, обратное влияние выражается в том, что связь со спином электрона сдвигает частоту вибрации нанотрубки.

Ученые считают, что учет подобных взаимодействий поможет повысить чувствительность датчиков массы на основе нанотрубок, которые уже позволяют оценить массу нескольких атомов. В квантовых вычислениях колебания нанотрубки могут использоваться для изменения значений кубитов или их своеобразной обработки. Поскольку движение нанотрубки может быть инициировано при помощи радиоволн, этот контроль окажется менее сложным, чем другие предложенные на сегодняшний день (и основанные на быстром изменении магнитных полей).

Подробные результаты работы ученых представлены в журнале Physical Review Letters.