Lanthanide atoms as candidate spin-qubits at surface

Single-atom spin qubits on surfaces have recently emerged as promising candidates for quantum computation. The potential for a nanoscale platform opens the path for scalable technology with a high qubit density. However, challenges reamain, including the influence of substrate electrons on qubit properties and the need for enhanced coherence times for fault-tolerant quantum computation. This thesis explores a novel strategy to enhance the surface spin-qubit properties by localizing spins within shielded orbitals, using the unpaired electrons in 4f orbitals of lanthanide atoms. By combining ensemble measurement techniques with single-spin drive and read-out via electron spin resonance in a scanning tunneling microscope, different lanthanide-based platforms are explored. Various systems containing single lanthanide atoms have been identified as potential platforms for spin-qubit operations on surfaces. These range from individual adatoms adsorbed on ultrathin magnesium oxide (MgO) films on silver, to atoms embedded at the surface of these oxide films. Erbium atoms deposited on MgO are demonstrated to be suitable to perform electron spin resonance while the atoms embedded at the surface comprise a perspective system showing structural stability up to room temperature. This thesis introduces new candidates for coherent operations at the surface, thereby advancing this technology toward practical quantum computation capabilities.

Di recente, i qubit a base di spin in singoli atomi su superfici hanno suscitato interesse come promettenti candidati per la computazione quantistica. Il potenziale di una piattaforma alla scala atomica apre la strada a una tecnologia scalabile con un’alta densit`a di qubit. Tuttavia, alcune problematiche rimangono aperte, tra cui l’influenza degli elettroni del substrato sulle propriet`a del qubit e la necessit`a di tempi di coerenza pi`u lunghi per la computazione quantistica “fault-tolerant”. Questa tesi esplora una nuova strategia per migliorare le propriet`a dei qubit di spin su superficie, localizzando gli spin all’interno di orbitali isolati, utilizzando gli elettroni spaiati negli orbitali 4f dei lantanidi. Sono state esplorate varie piattaforme basate sui lantanidi usando una combinazione di tecniche di misura d’insieme ed eccitazione e detezione di singoli spin tramite risonanza elettronica in un microscopio a effetto tunnel. Diversi sistemi sono stati identificati come potenziali piattaforme di qubit di spin sulla superficie. Tra questi, singoli adatomi adsorbiti su film ultrasottili di ossido di magnesio (MgO) su argento e atomi incorporati nella matrice di questi film. Singoli atomi di erbio adsorbiti su MgO sono risultati adatti ad eseguire risonanza elettronica mentre gli atomi incorporati nella matrice presentano stabilit`a strutturale fino a temperatura ambiente. Questa tesi introduce nuovi candidati per operazioni coerenti su superficie, portando cos`ı questa tecnologia verso l’applicazione nella computazione quantistica.