中文摘要：

单电子自旋量子信息的测量和调控是未来量子信息学发展的重要基础。本项目着眼于电子自旋共振扫描隧道显微镜（ESR-STM）的仪器研制，以期为该领域的发展提供崭新的实验测控手段。主要研制内容包括（1）超高真空腔系统的设计和搭建；（2）液氦低温冷却系统的设计制作；（3）高稳定性STM扫描器的设计制作；（4）自旋极化扫描探针的制备；（5）低温超高真空ESR射频电流放大器的设计制作；（6）ESR信号分析和数据采集处理。（7）可变磁场系统的设计制作。利用STM的原子级空间分辨能力，本仪器将有望突破传统的ESR测量极限，实现单个自旋信息的测量和调控，为理解自旋动力学过程，发展自旋电子学和量子信息学提供物理基础。

结论摘要：

单电子自旋量子信息的测量和调控是未来量子信息学发展的重要基础。本项目着眼于电子自旋共振扫描隧道显微镜（ESR-STM）的仪器研制，以期为该领域的发展提供崭新的实验测控手段。通过本项目的执行，设计了一套新型的低温超高真空扫描隧道显微镜系统。该系统具备分子束外延－样品清理－扫描隧道显微镜的联合功能，可实现针尖替换、针尖极化处理、长距离进针、样品定位、原位蒸镀、可控磁场、低温射频信号放大等开展电子自旋共振实验所必需的关键功能。系统真空度优于10-10 Torr，样品低温区温度低于10K，扫描横向分辨率优于0.1nm，纵向分辨率优于50pm，Z方向稳定性优于20pm，隧道电流涨落优于0.05nA/min。实现了金单晶表面重构成像，表面态干涉条纹成像，及原子分辨成像。成功制备了单分子纳米体系。设计并研制了自旋极化探针制备设备，可实现钨针尖的局部快速高温淬火和磁性材料的原子层蒸镀。设计并研制了微型超导电磁线圈，可实现磁场强度和温度的实时监控，可控磁场范围为0-200高斯。射频电流前置放大器兼容了超高真空、液氦低温、高温烘烤，可实现100MHz至2GHz频谱范围内的均匀增益。项目实施过程中，设计并研制了低温超高真空系统的关键设备，包括液氦低温杜瓦、样品传送装置、大角度摇摆机械手、二维精密位移台等。本项目发明的阻尼减震液氦低温杜瓦的冷却测试显示，液氦消耗最佳状态在2.88升/天，与连续流液氦冷却系统的消耗（30升/天）相比，这一系统在液氦资源的使用效率方面实现了显著的提高。提出了一种新的利用自旋极化电流探测并控制单个电子拉莫尔进动的实验方案。从量子理论出发，推导并证明了利用自旋极化探针可以将单个自旋的进动信号提高一至两个数量级。提出了一种“脉冲激发－实时探测”的实验方法来探测单个自旋的纵向弛豫时间。预测了单个自旋横向弛豫时间的频谱特征，并提出了测量单个电子自旋相干性及其与极化电流相互作用强度的实验方法。该仪器为实现单个自旋结构的原子级空间分辨和原位操纵，准确理解自旋量子态的相干效应及退相干机制，并最终实现量子关联和量子纠缠提供了独特而关键的研究手段。