I fisici dell'Università di Basilea hanno mostrato per la prima volta come appare un singolo elettrone in un atomo artificiale. Un metodo di nuova concezione consente loro di mostrare la probabilità che un elettrone sia presente in uno spazio. Ciò consente un migliore controllo degli spin elettronici, che potrebbe servire come la più piccola unità di informazione in un futuro computer quantistico. Gli esperimenti sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica e la relativa teoria in Revisione fisica B .

Lo spin di un elettrone è un candidato promettente per l'uso come la più piccola unità di informazione (qubit) di un computer quantistico. Controllare e cambiare questo spin o accoppiarlo con altri spin è una sfida su cui stanno lavorando numerosi gruppi di ricerca in tutto il mondo. La stabilità di un singolo spin e l'entanglement di vari spin dipendono, tra l'altro, sulla geometria degli elettroni, che in precedenza era impossibile determinare sperimentalmente.

Possibile solo negli atomi artificiali

Gli scienziati dei team guidati dai professori Dominik Zumbühl e Daniel Loss del Dipartimento di Fisica e dello Swiss Nanoscience Institute dell'Università di Basilea hanno ora sviluppato un metodo con cui possono determinare spazialmente la geometria degli elettroni nei punti quantici.

Un punto quantico è una potenziale trappola che permette di confinare gli elettroni liberi in un'area che è circa 1000 volte più grande di un atomo naturale. Poiché gli elettroni intrappolati si comportano in modo simile agli elettroni legati a un atomo, i punti quantici sono anche conosciuti come "atomi artificiali".

L'elettrone è trattenuto nel punto quantico da campi elettrici. Però, si muove nello spazio e, con diverse probabilità corrispondenti a una funzione d'onda, rimane in luoghi specifici all'interno del suo confinamento.

La distribuzione della carica fa luce

Gli scienziati utilizzano misurazioni spettroscopiche per determinare i livelli di energia nel punto quantico e studiano il comportamento di questi livelli in campi magnetici di intensità e orientamento variabili. Sulla base del loro modello teorico, è possibile determinare la densità di probabilità dell'elettrone e quindi la sua funzione d'onda con una precisione su scala sub-nanometrica.

"Per dirla semplicemente, possiamo usare questo metodo per mostrare come appare un elettrone per la prima volta, " spiega Perdita.

Migliore comprensione e ottimizzazione

I ricercatori, che lavorano a stretto contatto con i colleghi in Giappone, Slovacchia e Stati Uniti, acquisire così una migliore comprensione della correlazione tra la geometria degli elettroni e lo spin dell'elettrone, che dovrebbe essere stabile il più a lungo possibile e rapidamente commutabile per l'uso come qubit.

"Siamo in grado non solo di mappare la forma e l'orientamento dell'elettrone, ma controllano anche la funzione d'onda in base alla configurazione dei campi elettrici applicati. Questo ci dà la possibilità di ottimizzare il controllo degli spin in maniera molto mirata, " dice Zumbühl.

Anche l'orientamento spaziale degli elettroni gioca un ruolo nell'entanglement di diversi spin. Analogamente al legame di due atomi a una molecola, le funzioni d'onda di due elettroni devono giacere su un piano per un entanglement riuscito.

Con l'aiuto del metodo sviluppato, numerosi studi precedenti possono essere meglio compresi, e le prestazioni degli spin qubit possono essere ulteriormente ottimizzate in futuro.