Elektronin geometria määritelty

Elektroni on ansoitettu kvanttipisteeseen, joka on muodostettu kaksiulotteiseen kaasuun puolijohdekiekossa. Elektroni kuitenkin liikkuu avaruudessa ja eri aaltofunktiota vastaavilla todennäköisyyksillä pysyy tietyissä paikoissa sulkeutumassaan (punaiset ellipsit). Aaltofunktion geometriaa voidaan muuttaa vaihtelemalla kultaisen porttirakenteen sähkökenttiä.

Baselin yliopiston fyysikot pystyvät ensimmäistä kertaa osoittamaan, kuinka yksi elektroni näyttäytyy keinotekoisena atomina.

Äskettäin kehitetty menetelmä mahdollistaa heidän osoittaa todennäköisyyden, jolla elektroni on olemassa rajatussa tilassa. Tämä sallii elektronin spinien paremman ohjauksen, mikä mahdollistaisi sen voivan toimia pienimpänä informaation yksikkönä tulevassa kvanttitietokoneessa.

Elektronin spin on lupaava ehdokas kvanttitietokoneen kubitiksi. Spinin ohjaaminen ja vaihtaminen tai kytkeminen muihin spineihin on haaste, johon useat tutkijaryhmät ympäri maailmaa paneutuvat. Yhden spinin vakaus ja erilaisten spinien lomittuminen riippuu mm. elektronien geometriasta, jota aiemmin on ollut mahdotonta määrittää kokeellisesti.

Professorien Dominik Zumbühlin ja fysiikan laitoksella työskentelevien Daniel Lossin Baselin yliopiston fysiikan osastolta sekä Sveitsin nanotieteen instituutin tutkijat ovat nyt kehittäneet menetelmän, jonka avulla he voivat spesifisesti määrittää elektronien geometriaa kvanttipisteissä.

Kvanttipiste on potentiaalinen ansa, joka sallii vapaiden elektronien rajoittamisen alueella, joka on noin tuhat kertaa suurempi kuin luonnollinen atomi. Koska loukkuun jääneet elektronit käyttäytyvät samanlaisina kuin atomiin sitoutuneet elektronit, kvanttipisteitä kutsutaan myös keinotekoisiksi atomeiksi.

Elektroni pidetään kvanttipisteessä sähkökenttien avulla. Se kuitenkin liikkuu tilassa ja eri aaltofunktiota vastaavilla todennäköisyyksillä pysyy tietyissä paikoissa sulkeutumansa sisällä.

Tutkijat työskentelevät läheisessä yhteistyössä Japanin, Slovakian ja Yhdysvaltojen kollegoiden kanssa ja ymmärtävät siten paremmin elektronien geometrian ja elektronin spinin välisen korrelaation, jonka pitäisi olla vakaa niin pitkään kuin mahdollista ja nopeasti vaihdettavissa kubittina käytettäessä.

”Voimme kartoittaa paitsi elektronin muotoa ja suuntaa, mutta myös ohjata aaltofunktiota sovellettujen sähkökenttien konfiguraation mukaan. Tämä antaa meille mahdollisuuden optimoida spinien hallintaa hyvin kohdennetusti”, Zumbühl toteaa.

Elektronien avaruusorientaatiolla on myös rooli useiden spinien lomittumisessa. Samoin kuin kahden atomin sitoutuminen molekyyliin, kahden elektronin aaltofunktioiden on sijaittava yhdessä tasossa onnistuneessa lomittumisessa.

Kehitetyn menetelmän avulla voidaan paremmin ymmärtää lukuisia aikaisempia tutkimuksia ja spinkubittien suorituskykyä voidaan edelleen optimoida tulevaisuudessa.

Aiheesta aiemmin:

Laveampaa kvantti-informaation vaihtoa