دانشمندان امیدوارند که بتوانند از نانولوله‌های کربنی برای محاسبات کوانتومی بهره بگیرند. در این محاسبات، اسپین یک الکترون، نشان‌دهنده یک داده یک‌بیتی است. اخیراً فیزیک‌دانان کورنل کشف کردند که اسپین یک الکترون در یک نانولوله کربنی با مدار الکترون جفت می‌شود(به عبارت دیگر، برهم‌کنش می‌کند). این کشف، محققان را مجبور می‌کند که راه بازخوانی و یا تغییر اسپین را عوض کنند. همچنین آن راه جدیدی را برای دستکاری اسپین به‌وسیله دستکاری مدار الکترون ارائه می‌کند.
جفت‌شدگی اسپین و مدار الکترونی در نانولوله‌های کربنی
دانشمندان امیدوارند که بتوانند از نانولوله‌های کربنی برای محاسبات کوانتومی بهره
بگیرند. در این محاسبات، اسپین یک الکترون، نشان‌دهنده یک داده یک‌بیتی است. اخیراً
فیزیک‌دانان کورنل کشف کردند که اسپین یک الکترون در یک نانولوله کربنی با مدار
الکترون جفت می‌شود(به عبارت دیگر، برهم‌کنش می‌کند). این کشف، محققان را مجبور می‌کند
که راه بازخوانی و یا تغییر اسپین را عوض کنند. همچنین آن راه جدیدی را برای
دستکاری اسپین به‌وسیله دستکاری مدار الکترون ارائه می‌کند.
نانولوله‌های کربنی استوانه‌های کوچکی هستند که دیواره‌های آنها از اتم‌های کربن ـ
که به شکل شش‌وجهی‌هایی، به یکدیگر متصل شده‌اند ـ تشکیل شده‌اند. در این نانولوله‌ها،
الکترون‌های آزاد به جای چرخش حول اتم‌های مجزا، حول لوله گردش می‌کنند. در این
گردش، دو جهت فضایی برای اسپین الکترون‌های چرخشی وجود دارد(اسپین بالا یا پایین) و
با در نظر گرفتن جهت چرخشی مداری(ساعت‌گرد یا پادساعت‌گرد) چهار حالت ممکن برای
الکترون‌ها وجود خواهد داشت. پیش از این فیزیک‌دانان اعتقاد داشتند که این چهار
حالت باید کاملاً با یکدیگر معادل و یکسان باشند.
برای آزمایش این مطلب، محققان از تجهیزات مرکز
علم و فناوری نانومقیاس کورنل استفاده کرده و افزاره بسیار کوچکی ساختند. در
این افزاره، یک نانولوله کربنی ـ که حدود پنج نانومتر قطر، و ۵۰۰ نانومتر طول
داشت(هر نانومتر معادل طول ردیفی از سه اتمِ کنار هم قرارگرفته، است) ـ در بین
دو الکترود و در بالای یک ساختار سیلیکونی قرار داده شد. به کمک این ساختار،
بار‌های الکتریکی متغیری بر روی نانولوله منتقل می‌شد. طراحی ویژه این افزاره،
ساخت نقاط کوانتومی‌ای را ممکن ساخت که شامل تعداد کمی از الکترون‌ها(و در
نهایت یک الکترون مجزا) بودند.
این محققان(پول مک‌اون، دانیل رالف و شاهال ایلانی) توانستند از طریق اعمال یک
میدان مغناطیسی در مسیر محور نانولوله و اندازه‌گیری شار جریان در سراسر لوله،
سطوح انرژی الکترون‌ها را در چهار حالت ممکن الکترونی(که پیش از این ذکر شدند)
تعیین کنند. به این شکل، آنها دریافتند که تغییر جهت مدار الکترون، انرژی را
تغییر می‌دهد. به عبارت دیگر، مدار الکترون، بر روی اسپین آن اثر می‌گذارد و
بالعکس.
ایلانی در این باره گفت: «این کشف مانع از
استفاده از نانولوله‌ها در محاسبات کوانتومی نمی‌شود، اما قوانین موجود در
زمینه استفاده از نانولوله‌ها در محاسبات کوانتومی را تغییر می‌دهد، همچنین این
پدیده از دیدگاه فیزیک بنیادی نیز دارای اهمیت است؛ زیرا توپولوژی استوانه‌ای
منحصربه‌فردِ نانولوله‌ها عاملی است که اجازه می‌دهد تا الکترون‌ها مدار‌های
مشخصی داشته و در نهایت جفت‌شدگی مذکور ایجاد شود.»
این آزمایش برای حفره‌ها(فضا‌هایی که در اثر نبود الکترون ایجاد می‌شوند و از
دیدگاهی متفاوت، معادل یک بار مثبتِ چرخنده به دور لوله هستند) نیز انجام شد.
این بار نیز تصور می‌شد که انرژی یک حفره با انرژی یک الکترون ـ که اسپین
یکسانی با حفره دارد ـ معادل باشد؛ اما آزمایش، خلاف این موضوع را ثابت کرد.
نتایج این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.
