La geometría de un electrón determinó por primera vez
Los físicos de la Universidad de Basilea pueden mostrar por primera vez cómo se ve un solo electrón en un átomo artificial. Un método recientemente desarrollado les permite mostrar la probabilidad de que un electrón esté presente en un espacio. Esto permite un mejor control de los espines de electrones, que podrían servir como la unidad de información más pequeña en un futuro ordenador cuántico. Los experimentos fueron publicados en Physical Review Letters y la teoría relacionada en Physical Review B.
Un electrón está atrapado en un punto cuántico, que se forma en un gas bidimensional en una oblea de semiconductor. Sin embargo, el electrón se mueve dentro del espacio y, con diferentes probabilidades correspondientes a una función de onda, permanece en ciertos lugares dentro de su confinamiento (elipses rojas). Utilizando los campos eléctricos aplicados de gold gates, la geometría de esta función de onda puede ser cambiada.
Bild: Universität Basel, Departement Physik
El espín de un electrón es un candidato prometedor para su uso como la unidad de información más pequeña (qubit) de un ordenador cuántico. Controlar y cambiar este spin o acoplarlo con otros spins es un reto en el que están trabajando numerosos grupos de investigación de todo el mundo. La estabilidad de un solo giro y el enredo de varios giros depende, entre otras cosas, de la geometría de los electrones, que antes era imposible de determinar experimentalmente.
Sólo es posible en átomos artificiales
Los científicos de los equipos dirigidos por los profesores Dominik Zumbühl y Daniel Loss del Departamento de Física y del Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basilea han desarrollado un método mediante el cual pueden determinar espacialmente la geometría de los electrones en puntos cuánticos.
Un punto cuántico es una trampa potencial que permite confinar electrones libres en un área que es aproximadamente 1000 veces más grande que un átomo natural. Debido a que los electrones atrapados se comportan de manera similar a los electrones unidos a un átomo, los puntos cuánticos también se conocen como "átomos artificiales".
El electrón es sostenido en el punto cuántico por campos eléctricos. Sin embargo, se mueve dentro del espacio y, con diferentes probabilidades correspondientes a una función de onda, permanece en ciertos lugares dentro de su confinamiento.
La distribución de la carga arroja luz
Los científicos utilizan mediciones espectroscópicas para determinar los niveles de energía en el punto cuántico y estudiar el comportamiento de estos niveles en campos magnéticos de fuerza y orientación variables. Basándose en su modelo teórico, es posible determinar la densidad de probabilidad del electrón y, por lo tanto, su función de onda con precisión en la escala del subnanómetro.
"En pocas palabras, podemos usar este método para mostrar cómo es un electrón por primera vez", explica Loss.
Mejor comprensión y optimización
Los investigadores, que trabajan en estrecha colaboración con colegas de Japón, Eslovaquia y los Estados Unidos, logran así una mejor comprensión de la correlación entre la geometría de los electrones y el espín de los electrones, que debería ser estable durante el mayor tiempo posible y rápidamente conmutable para su uso como un qubit.
"Somos capaces no sólo de mapear la forma y orientación del electrón, sino también de controlar la función de la onda de acuerdo con la configuración de los campos eléctricos aplicados. Esto nos da la oportunidad de optimizar el control de los giros de una manera muy precisa", dice Zumbühl.
La orientación espacial de los electrones también juega un papel en el enredo de varios giros. De manera similar a la unión de dos átomos a una molécula, las funciones de onda de dos electrones deben estar en un plano para un enredo exitoso.
Con la ayuda del método desarrollado, se pueden comprender mejor numerosos estudios anteriores y optimizar aún más el rendimiento de las qubits de espín en el futuro.
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Publicación original
Leon C. Camenzind, Liuqi Yu, Peter Stano, Jeramy D. Zimmerman, Arthur C. Gossard, Daniel Loss, and Dominik M. Zumbühl; "Spectroscopy of quantum dot orbitals with in-plane magnetic fields"; Physical Review Letters (2019
Peter Stano, Chen-Hsuan Hsu, Leon C. Camenzind, Liuqi Yu, Dominik Zumbühl, and Daniel Loss; "Orbital effects of a strong in-plane magnetic field on a gate-defined quantum dot"; Physical Review B (2019)
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