Fysiker vid universitetet i Basel har för första gången visat hur en enskild elektron ser ut i en konstgjord atom. En nyutvecklad metod gör det möjligt för dem att visa sannolikheten för att en elektron finns i ett utrymme. Detta möjliggör förbättrad kontroll av elektronsnurr, som skulle kunna fungera som den minsta informationsenheten i en framtida kvantdator. Experimenten publicerades i Fysiska granskningsbrev och den relaterade teorin i Fysisk granskning B .

En elektrons spinn är en lovande kandidat för användning som den minsta informationsenheten (qubit) i en kvantdator. Att kontrollera och byta detta spin eller koppla det med andra spins är en utmaning som många forskargrupper världen över arbetar med. Stabiliteten för ett enda snurr och trasslingen av olika snurr beror på, bland annat, på elektronernas geometri — vilket tidigare varit omöjligt att bestämma experimentellt.

Endast möjligt i konstgjorda atomer

Forskare i teamen som leds av professorerna Dominik Zumbühl och Daniel Loss från institutionen för fysik och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet vid universitetet i Basel har nu utvecklat en metod med vilken de kan rumsligt bestämma elektronernas geometri i kvantprickar.

En kvantprick är en potentialfälla som tillåter att fria elektroner begränsas i ett område som är cirka 1000 gånger större än en naturlig atom. Eftersom de fångade elektronerna beter sig på samma sätt som elektroner bundna till en atom, kvantprickar är också kända som "konstgjorda atomer".

Elektronen hålls i kvantpunkten av elektriska fält. Dock, den rör sig i utrymmet och, med olika sannolikheter som motsvarar en vågfunktion, förblir på specifika platser inom dess begränsning.

Laddningsfördelning kastar ljus

Forskarna använder spektroskopiska mätningar för att bestämma energinivåerna i kvantpunkten och studera beteendet hos dessa nivåer i magnetfält med varierande styrka och orientering. Baserat på deras teoretiska modell, det är möjligt att bestämma elektronens sannolikhetstäthet och därmed dess vågfunktion med en precision på subnanometerskalan.

"För att uttrycka sig enkelt, vi kan använda den här metoden för att visa hur en elektron ser ut för första gången, " förklarar Loss.

Bättre förståelse och optimering

Forskarna, som arbetar nära med kollegor i Japan, Slovakien och USA, på så sätt få en bättre förståelse för sambandet mellan elektronernas geometri och elektronspinnet, som ska vara stabil så länge som möjligt och snabbt omkopplingsbar för användning som en qubit.

"Vi kan inte bara kartlägga formen och orienteringen av elektronen, men också styra vågfunktionen enligt konfigurationen av de applicerade elektriska fälten. Detta ger oss möjligheten att optimera kontrollen över snurren på ett mycket riktat sätt, säger Zumbühl.

Den rumsliga orienteringen av elektronerna spelar också en roll vid intrasslingen av flera snurr. På samma sätt som bindningen av två atomer till en molekyl, två elektroners vågfunktioner måste ligga på ett plan för framgångsrik intrassling.

Med hjälp av den utvecklade metoden, många tidigare studier kan förstås bättre, och prestandan för spin qubits kan optimeras ytterligare i framtiden.