Elektronens geometri blev bestemt for første gang

Fysikere ved universitetet i Basel har for første gang vist, hvordan en enkelt elektron ser ud i et kunstigt atom. En nyudviklet metode gør dem i stand til at vise sandsynligheden for, at en elektron er til stede i et rum. Dette muliggør forbedret kontrol af elektronspins, som kunne tjene som den mindste informationsenhed i en fremtidig kvantecomputer. Eksperimenterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve og den tilhørende teori i Fysisk gennemgang B .

Elektronens spin er en lovende kandidat til brug som den mindste informationsenhed (qubit) i en kvantecomputer. At kontrollere og skifte dette spin eller koble det til andre spins er en udfordring, som mange forskningsgrupper verden over arbejder på. Stabiliteten af ​​et enkelt spin og sammenfiltring af forskellige spins afhænger, blandt andet, om elektronernes geometri - som tidligere havde været umuligt at bestemme eksperimentelt.

Kun muligt i kunstige atomer

Forskere i holdene ledet af professorerne Dominik Zumbühl og Daniel Loss fra Institut for Fysik og det schweiziske nanovidenskabsinstitut ved universitetet i Basel har nu udviklet en metode til at rumligt bestemme elektroners geometri i kvantepunkter.

En kvantepunkt er en potentiel fælde, der tillader begrænsning af frie elektroner i et område, der er omkring 1000 gange større end et naturligt atom. Fordi de fangede elektroner opfører sig på samme måde som elektroner bundet til et atom, kvanteprikker er også kendt som "kunstige atomer".

Elektronen holdes i kvantepunktet af elektriske felter. Imidlertid, den bevæger sig inden i rummet og med forskellige sandsynligheder svarende til en bølgefunktion, forbliver på bestemte steder inden for dens begrænsning.

Opladningsfordeling kaster lys

Forskerne bruger spektroskopiske målinger til at bestemme energiniveauerne i kvantepunktet og studere opførslen af ​​disse niveauer i magnetfelter med varierende styrke og orientering. Baseret på deres teoretiske model, det er muligt at bestemme elektronens sandsynlighedstæthed og dermed dens bølgefunktion med en præcision på sub-nanometer skalaen.

"For at sige det enkelt, vi kan bruge denne metode til at vise, hvordan en elektron ser ud for første gang, "forklarer tab.

Bedre forståelse og optimering

Forskerne, der arbejder tæt sammen med kolleger i Japan, Slovakiet og USA, får dermed en bedre forståelse af sammenhængen mellem elektroners geometri og elektronspind, som skal være stabil så længe som muligt og hurtigt omskiftelig til brug som en qubit.

"Vi er i stand til ikke kun at kortlægge elektronens form og retning, men også styre bølgefunktionen i henhold til konfigurationen af ​​de anvendte elektriske felter. Dette giver os mulighed for at optimere kontrollen med spins på en meget målrettet måde, "siger Zumbühl.

Elektronernes rumlige orientering spiller også en rolle i sammenfiltringen af ​​flere spins. På samme måde som bindingen af ​​to atomer til et molekyle, bølgefunktionerne af to elektroner skal ligge på et plan for en vellykket sammenfiltring.

Ved hjælp af den udviklede metode, mange tidligere undersøgelser kan bedre forstås, og ydelsen af ​​spin qubits kan optimeres yderligere i fremtiden.