实现磁性态的全电子学探测和调控是自旋电子学研究的一个非常重要的目标。到了单个原子或者分子尺度，磁化强度的量子隧穿现象会限制磁性态的寿命。另外，对量子态进行电子学测量，不可避免的需要将量子自旋系统与金属电极耦合在一起，从而会导致磁性态的弛豫。因此对量子自旋态的探测也会使自旋态的寿命减小。

最近，我校350vip浦京集团杨锴博士与IBM Almaden研究中心William Paul博士、Andreas Heinrich研究员等人合作，利用自旋极化扫描隧道显微镜（STM）并结合全电子学的泵浦探测技术，研究了单个Fe原子自旋激发态寿命的探测和调控。在这项研究中，通过对氧化镁薄膜上的Fe原子与邻近电极的耦合作用进行调制，使得Fe原子自旋态的寿命大大延长。通过精确的调控，最终将Fe原子的激发态的寿命延长到10毫秒量级。具体通过两种途径对自旋态寿命进行了调控。（1）通过增大STM针尖与Fe原子的距离，发现Fe原子自旋激发态的弛豫时间不断增加，最终稳定。这表明，此时的弛豫时间几乎不再受来自STM针尖电子散射的影响。因此，当针尖与Fe原子距离到达一定值时，测得的是Fe原子自旋态的本征弛豫时间。（2）另外，通过精确控制氧化镁薄膜的厚度，可以进一步增大Fe原子自旋态的弛豫时间。相对以往的吸附在表面的原子，如此长的弛豫时间是由于氧化镁薄膜极大的减弱了金属基底电子与Fe原子自旋的散射。微观上，自旋态寿命的延长是由于基底传导电子与Fe原子自旋之间的散射截面很小，从而几千次的散射才可能会导致自旋态从激发态弛豫到基态。氧化镁薄膜表面的Fe原子自旋可以作为一个量子比特，研究其自旋态弛豫时间对于其在量子计算领域的应用具有重要意义。

相关工作发表在近期的Nature Physics (2016) doi:10.1038/nphys3965。

该工作得到了国家自然科学基金和我校的支持。 

图1. 利用自旋极化针尖探测Fe原子的自旋态。（a）吸附Fe原子的氧化镁薄膜的形貌像。（b）探测过程的示意图。（c）Fe原子的能级。（d）用自旋极化电流读取两种自旋态。

图2. 控制针尖与Fe原子的耦合来调控自旋态的寿命。（a）利用泵浦探测技术测量自旋态的寿命。（b）Fe原子与邻近电极的耦合示意图。（c）自旋态寿命随针尖距离的变化。

图3. 控制氧化镁的厚度来调控Fe原子自旋态的寿命。（a）测量不同厚度氧化镁的电导。（b）对不同厚度的氧化镁，自旋态寿命随针尖距离的变化。