Un electrón está atrapado en un punto cuántico, que se forma en un gas bidimensional en una oblea semiconductora. 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). Usando las puertas de oro aplicadas campos eléctricos, la geometría de esta función de onda se puede cambiar. (Imagen:Universidad de Basilea, Departamento de Física)
Los físicos de la Universidad de Basilea han demostrado por primera vez cómo se ve un solo electrón en un átomo artificial. Un método desarrollado recientemente les permite mostrar la probabilidad de que un electrón esté presente en un espacio. Esto permite un mejor control de los espines de los electrones, que podría servir como la unidad de información más pequeña en una futura computadora cuántica. Los experimentos fueron publicados en Cartas de revisión física y la teoría relacionada en Revisión física B .
El espín de un electrón es un candidato prometedor para su uso como la unidad de información más pequeña (qubit) de una computadora cuántica. Controlar y cambiar este giro o acoplarlo con otros giros es un desafío en el que están trabajando numerosos grupos de investigación en todo el mundo. La estabilidad de un solo giro y el entrelazamiento de varios giros depende, entre otras cosas, sobre la geometría de los electrones, que anteriormente había sido imposible de determinar experimentalmente.
Solo es posible en átomos artificiales
Los científicos de los equipos encabezados por los profesores Dominik Zumbühl y Daniel Loss del Departamento de Física y el 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 de 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 se mantiene en el punto cuántico mediante campos eléctricos. Sin embargo, se mueve dentro del espacio y, con diferentes probabilidades correspondientes a una función de onda, permanece en lugares específicos dentro de su confinamiento.
La distribución de carga arroja luz
Los científicos utilizan medidas espectroscópicas para determinar los niveles de energía en el punto cuántico y estudiar el comportamiento de estos niveles en campos magnéticos de diferente intensidad y orientación. Basado en su modelo teórico, es posible determinar la densidad de probabilidad del electrón y, por tanto, su función de onda con una precisión en la escala subnanométrica.
"Para hacerlo mas simple, podemos usar este método para mostrar cómo se ve un electrón por primera vez, "explica Loss.
Mejor comprensión y optimización
Los investigadores, que trabajan en estrecha colaboración con colegas en Japón, Eslovaquia y EE. UU., así obtener una mejor comprensión de la correlación entre la geometría de los electrones y el espín del electrón, que debería ser estable durante el mayor tiempo posible y cambiarse rápidamente para su uso como qubit.
"No solo podemos mapear la forma y la orientación del electrón, pero también controla la función de onda según la configuración de los campos eléctricos aplicados. Esto nos da la oportunidad de optimizar el control de los giros de una manera muy específica, "dice Zumbühl.
La orientación espacial de los electrones también juega un papel en el entrelazamiento de varios espines. 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 entrelazamiento exitoso.
Con la ayuda del método desarrollado, numerosos estudios anteriores pueden entenderse mejor, y el rendimiento de spin qubits se puede optimizar aún más en el futuro.
