Προσδιορίστηκε για πρώτη φορά η γεωμετρία ενός ηλεκτρονίου που δίνει τη δυνατότητα ελέγχου του σπιν του

Egno Editorial | 7 Ιουνίου 2019

Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας μπόρεσαν να δείξουν για πρώτη φορά πώς μοιάζει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα τεχνητό άτομο. Μια μέθοδος που πρόσφατα αναπτύχθηκε τους επιτρέπει να δείξουν την πιθανότητα παρουσίας ενός ηλεκτρονίου στο χώρο. Αυτό επιτρέπει να βελτιωθεί ο έλεγχος του σπιν του ηλεκτρονίου, που θα μπορούσε να εξυπηρετήσει ως η μικρότερη μονάδα πληροφορίας σε έναν μελλοντικό κβαντικό υπολογιστή. Τα πειράματα δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters και η σχετική θεωρία στο Physical Review B.

Το σπιν ενός ηλεκτρονίου είναι ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος για να χρησιμοποιηθεί ως η μικρότερη μονάδα πληροφορίας (qubit) ενός κβαντικού υπολογιστή. Ο έλεγχος και η αλλαγή του σπιν αυτού ή η σύζευξή του με άλλα σπιν είναι μια πρόκληση για την οποία εργάζεται μεγάλος αριθμός ερευνητικών ομάδων σε όλο τον κόσμο. Η σταθερότητα ενός σπιν και η διεμπλοκή διαφορετικών σπιν εξαρτάται, μεταξύ άλλων, από τη γεωμετρία των ηλεκτρονίων – η οποία προηγουμένως ήταν αδύνατο να προσδιοριστεί πειραματικά.

Επιστήμονες στις ομάδες με επικεφαλείς τους καθηγητές Dominik Zumbühl και Daniel Loss από το Τμήμα Φυσικής και το Ελβετικό Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας έχουν ανακαλύψει μια μέθοδο με την οποία μπορούν να προσδιορίσουν χωρικά τη γεωμετρία του ηλεκτρονίου σε κβαντικά σημεία. Ένα κβαντικό σημείο είναι μια δυναμική παγίδα που επιτρέπει ελεύθερα ηλεκτρόνια να περιορίζονται σε μια περιοχή η οποία είναι περίπου 1000 φορές ευρύτερη από αυτή ενός φυσικού ατόμου. Επειδή τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται παρόμοια με τα δεσμευμένα σε ένα άτομο ηλεκτρόνια, τα κβαντικά σημεία είναι γνωστά επίσης και ως «τεχνητά άτομα».

Το ηλεκτρόνιο συγκρατείται στο κβαντικό σημείο από ηλεκτρικά πεδία. Ωστόσο, κινείται μέσα στο χώρο και με διαφορετικές πιθανότητες που ανταποκρίνονται σε μια κυματοσυνάρτηση, παραμένει σε ορισμένες θέσεις μέσα στο χώρο περιορισμού του.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν φασματοσκοπικές μετρήσεις για να προσδιορίσουν τα ενεργειακά επίπεδα στο κβαντικό σημείο και μελέτησαν τη συμπεριφορά των επιπέδων αυτών σε μαγνητικά πεδία διαφορετικών εντάσεων και προσανατολισμών. Βασιζόμενοι στο θεωρητικό μοντέλο τους, μπόρεσαν να προσδιορίσουν την πυκνότητα πιθανότητας του ηλεκτρονίου και έτσι τη κυματοσυνάρτησή του με ακρίβεια στη κλίμακα του υπο-νανομέτρου. «Για να το θέσουμε απλά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη μέθοδο για να δείξουμε πως μοιάζει ένα ηλεκτρόνιο για πρώτη φορά», εξηγεί ο Loss.

Οι ερευνητές, οι οποίοι εργάζονται στενά με συναδέλφους στη Ιαπωνία, τη Σλοβακία και τις ΗΠ, έτσι κερδίζουν μια καλύτερη κατανόηση του συσχετισμού μεταξύ της γεωμετρίας του ηλεκτρονίου και του σπιν του ηλεκτρονίου, που θα πρέπει να είναι για όσο το δυνατό περισσότερο σταθερό και γρήγορα μεταβαλλόμενο για χρήση ως ένα qubit. «Μπορέσαμε όχι μόνο να χαρτογραφήσουμε το σχήμα και τον προσανατολισμό του ηλεκτρονίου, αλλά επίσης να ελέγξουμε την κυματοσυνάρτηση σύμφωνα με την διαμόρφωση των εφαρμοζόμενων ηλεκτρικών πεδίων. Αυτό μας δίνει τη ευκαιρία να βελτιστοποιούμε τον έλεγχο των σπιν με πολύ κατευθυνόμενο τρόπο», λέει ο Zumbühl.

Ο χωρικός προσανατολισμός του ηλεκτρονίου παίζει επίσης ρόλο στη διεμπλοκή των διαφόρων σπιν. Παρόμοια με τη σύνδεση δυο ατόμων σε ένα μόριο, η κυματοσυνάρτηση δυο ηλεκτρονίων πρέπει να βρίσκεται σε ένα επίπεδο για επιτυχή διεμπλοκή. Με τη βοήθεια της μεθόδου που αναπτύχθηκε, μεγάλος αριθμός προηγούμενων μελετών μπορεί να κατανοηθούν καλύτερα και η απόδοση των σπιν-qubit μπορεί να βελτιστοποιηθεί στο μέλλον.

Πηγή: University of Basel

Περισσότερα στις δυο δημοσιεύσεις:
[1] Orbital effects of a strong in-plane magnetic field on a gate-defined quantum dot. Physical Review B.
[2] Spectroscopy of Quantum Dot Orbitals with In-Plane Magnetic Fields. Physical Review Letters.