Forskare från SANKEN vid Osaka University demonstrerade avläsningen av spinnpolariserade multielektrontillstånd som består av tre eller fyra elektroner på en halvledarkvantprick. Genom att använda spinfiltreringen som orsakas av kvanthalleffekten, forskarna kunde förbättra tidigare metoder som bara lätt kunde lösa två elektroner. Detta arbete kan leda till kvantdatorer baserade på multielektron högspintillstånd.

Trots den nästan ofattbara ökningen av datorernas kraft under de senaste 75 åren, även de snabbaste maskinerna som finns tillgängliga idag körs på samma grundprincip som den ursprungliga samlingen av vakuumrör i rumsstorlek:information bearbetas fortfarande genom att samla elektroner genom kretsar baserat på deras elektriska laddning. Dock, datortillverkarna når snabbt gränsen för hur mycket de enkelt kan uppnå med enbart laddning, och nya metoder, som kvantberäkning, är inte redo att ta deras plats ännu. Ett lovande tillvägagångssätt är att använda elektronernas inneboende magnetiska moment, kallas "snurra, " men att kontrollera och mäta dessa värden har visat sig vara mycket utmanande.

Nu, ett team av forskare ledda av Osaka University visade hur man läser av spinntillståndet för flera elektroner begränsade till en liten kvantprick tillverkad av gallium och arsenik. Kvantprickar fungerar som konstgjorda atomer med egenskaper som kan ställas in av forskare genom att ändra deras storlek eller sammansättning. Dock, gapen i energinivåer blir i allmänhet mindre och svårare att lösa när antalet fångade elektroner ökar.

För att övervinna detta, laget utnyttjade ett fenomen som kallas kvanthalleffekten. När elektroner är begränsade till två dimensioner och utsätts för ett starkt magnetfält, deras tillstånd blir kvantiserade, så deras energinivåer kan bara anta vissa specifika värden. "Tidigare spin-avläsningsmetoder kunde bara hantera en eller två elektroner, men med hjälp av quantum Hall-effekten, vi kunde lösa upp till fyra spin-polariserade elektroner, ", säger första författaren Haruki Kiyama. För att förhindra störningar från termiska fluktuationer, experimenten utfördes vid extremt låga temperaturer, runt 80 millikelvin. "Denna avläsningsteknik kan bana väg mot snabbare och högre kapacitet spin-baserade kvantinformationsbehandlingsenheter med multielektronspintillstånd, ", säger seniorförfattaren Akira Oiwa.