Впервые определена геометрия электрона

Физики из университета Базеля продемонстрировали впервые вид одиночного электрона в искусственном атоме. Новый метод, который они разработали, позволил им показать вероятность электрона в текущем пространстве. Это стало способным благодаря улучшенному методу контроля спинов электрона, который должен исполнить роль малейшей единицы информации в будущих квантовых вычислениях. Эксперимент был обнародвана в Physical Review Letter и в качестве соответствующей теории в Physical Review B.

Спин электрона один из весомых кандидатов для использования в качестве кубита квантового компьютера. Использование и переключение спина вместе с другими спинами – проблема, над которой трудится множество исследовательских групп по всему миру. Стабильность спина и запутанности множества спинов зависит, помимо прочих вещей, от геометрии самих электронов – что до сих пор определить было весьма сложно.

Возможность в искусственных атомах

Ученые в командах, возглавляемых профессорами Домиником Цумбюлем и Даниэлем Лоссом из физического факультета швейцарского Института нанонаук в Университете Базеля, в настоящее время разработали метод, с помощью которого они могут определять геометрию электронов в пространстве с помощью квантовых точек.

Квантовая точка - это потенциальная ловушка, которая способна удерживать свободные электроны в областях, которые примерно в 1000 раз больше размеров обычного 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 с различными вероятностями, соответствующими волновой функции, и остается в определенных местах пределах квантовой точки.

Распределение заряда проливает свет

Ученые использовали 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.

«Проще говоря, мы можем использовать этот метод, чтобы показать, как выглядит электрон», - объясняет Лосс.

Лучшее понимание и оптимизация

Исследователи, которые принимали участие в исследовании в тесном сотрудничестве с коллегами в Японии, Словакии и США, лучше смогли понимать корреляцию между геометрией электронов и спином электрона, который должен быть стабильным как можно дольше и быстро при этом переключаться для использования в качестве кубит.

«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», сообщил Цумбюль.

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 более ранние исследования могут быть лучше проанализированы, а производительность спиновых кубитов может быть дополнительно оптимизирована в будущем.

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Пояснения к изображениям:

Рисунок 1.

(а) скетч установки с гейтами. (b) трехуровневая схема импульсов. (с) зависимость глубины импульса (эВ) от туннельного гейта (кГц). (d) основное состояние волновой функции (слева) для p-орбиталей.

Рисунок 2.

(а) орбитальное возбуждение энергий Ex (зеленый), Ey (фиолетовый) как функции от объема. (b) аналогично для x^ и (c) y^.

Источник: www.sciencedaily.com

Комментарии: