Впервые определена геометрия электрона

Физики в Базельском университете впервые показали, как выглядит один электрон в искусственном атоме. Недавно разработанный метод позволяет им показать вероятность присутствия электрона в пространстве. Это позволяет улучшить контроль электронных спинов, которые могли бы служить наименьшей информационной единицей в будущем квантовом компьютере.

Спин электрона является многообещающим кандидатом для использования в качестве наименьшей информационной единицы (кубита) квантового компьютера. Управление и переключение этого вращения или связывание его с другими вращениями является проблемой, над которой работают многочисленные исследовательские группы по всему миру. Стабильность одного спина и запутывание различных спинов зависит, среди прочего, от геометрии электронов, что ранее было невозможно определить экспериментально.

Ученые в командах, возглавляемых профессорами Домиником Цумбюлем и Даниэлем Лоссом из физического факультета и Швейцарского института нанонауки в Университете Базеля, в настоящее время разработали метод, с помощью которого они могут пространственно определять геометрию электронов в квантовых точках.

Квантовая точка — это потенциальная ловушка, которая позволяет удерживать свободные электроны в области, которая примерно в 1000 раз больше естественного атома. Поскольку захваченные электроны ведут себя подобно электронам, связанным с атомом, квантовые точки также известны как «искусственные атомы».

Электрон удерживается в квантовой точке электрическими полями. Тем не менее, он движется в пространстве и с различными вероятностями, соответствующими волновой функции, остается в определенных местах в его пределах.

Ученые используют спектроскопические измерения, чтобы определить уровни энергии в квантовой точке и изучить поведение этих уровней в магнитных полях различной силы и ориентации. Основываясь на их теоретической модели, можно определить плотность вероятности электрона и, следовательно, его волновую функцию с точностью до субнанометровой шкалы.

Исследователи, которые работают в тесном сотрудничестве с коллегами из Японии, Словакии и США, таким образом, лучше понимают корреляцию между геометрией электронов и спином электрона, которая должна быть стабильной как можно дольше и быстро переключаться для использования в качестве кубита.

«Мы можем не только отобразить форму и ориентацию электрона, но и контролировать волновую функцию в соответствии с конфигурацией приложенных электрических полей. Это дает нам возможность оптимизировать управление спинами очень целенаправленным образом», говорят исследователи.

Пространственная ориентация электронов также играет роль в запутывании нескольких спинов. Подобно связыванию двух атомов с молекулой, волновые функции двух электронов должны лежать в одной плоскости для успешного запутывания.

С помощью разработанного метода многие более ранние исследования могут быть лучше поняты, и производительность спиновых кубитов может быть дополнительно оптимизирована в будущем.

Leon C. Camenzind et al. Spectroscopy of Quantum Dot Orbitals with In-Plane Magnetic Fields, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.207701

Peter Stano et al. Orbital effects of a strong in-plane magnetic field on a gate-defined quantum dot, Physical Review B (2019). DOI: 10.1103/PhysRevB.99.085308