Manipulación del spin en dispositivos nanoestructurados : aplicaciones a la información cuántica

Abstract

En los ultimos años, se han producido notables avances en el campo de la computación cuántica, dando lugar al desarrollo de nuevos dispositivos e innovadoras técnicas para el procesamiento, la transmision y el almacenamiento de datos. Entre los dispositivos cuánticos candidatos a operar con qubits, se destacan los sistemas basados en el spin, que aprovechan las propiedades magnéticas de las partículas para codificar y procesar informacion cuántica eficientemente. Los experimentos de resonancia de spin electrónico utilizando un microscopio de barrido por túnel (ESR-STM) han permitido un nivel de detalle sin precedentes, combinando la precisión espacial del STM con una resolución espectral de pocos MHz. En estos experimentos se han explorado una variedad de sistemas, desde átomos individuales hasta moléculas sobre superficies, ofreciendo conocimientos profundos sobre la dinamica de los spines atómicos. Al mismo tiempo, se han desarrollado modelos teóricos para entender y predecir los resultados experimentales. En los últimos años se han propuesto técnicas de control coherente del spin atómico, ampliando aún más el alcance de estos experimentos. Esta tesis pretende estudiar los mecanismos involucrados en ESR-STM, describir y entender de que manera la punta del STM interactua con el átomo influenciando los resultados de los experimentos. Además, se propone un nuevo método basado en un protocolo de Landau-Zener (LZ) y Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana (LZSM) para realizar tareas de control sobre el spin en tiempos razonablemente rápidos y con frecuencias mucho mas pequeñas que las empleadas en los últimos experimentos.

In recent years, notable advances have been made in the field of quantum computing, leading to the development of new devices and innovative techniques for processing, transmitting, and storing data. Among the quantum devices candidates for operating with qubits, systems based on spin stand out, which leverage the magnetic properties of particles to encode and process quantum information efficiently. Electron spin resonance experiments using a scanning tunneling microscope (ESR-STM) have allowed an unprecedented level of detail, combining the spatial precision of STM with a spectral resolution of a few MHz. These experiments have explored a variety of systems, from individual atoms to molecules on surfaces, providing deep insights into the dynamics of atomic spins. At the same time, theoretical models have been developed to understand and predict experimental results. In recent years, coherent control techniques of atomic spin have been proposed, further expanding the scope of these experiments. This thesis aims to study the mechanisms involved in ESR-STM, describing and understanding how the STM tip interacts with the atom influencing the results of the experiments. Additionally, a new method based on a Landau-Zener (LZ) and Landau-Zener-StuckelbergMajorana (LZSM) protocol is proposed to perform spin control tasks in reasonably fast times and with frequencies much smaller than those employed in recent experiments.