Natuurkundigen van de Universiteit van Basel hebben voor het eerst laten zien hoe een enkel elektron eruitziet in een kunstmatig atoom. Met een nieuw ontwikkelde methode kunnen ze aantonen hoe groot de kans is dat een elektron in een ruimte aanwezig is. Dit zorgt voor een betere controle van elektronenspins, die zou kunnen dienen als de kleinste informatie-eenheid in een toekomstige kwantumcomputer. De experimenten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven en de gerelateerde theorie in Fysieke beoordeling B .

De spin van een elektron is een veelbelovende kandidaat voor gebruik als kleinste informatie-eenheid (qubit) van een kwantumcomputer. Het besturen en schakelen van deze spin of het koppelen ervan met andere spins is een uitdaging waar wereldwijd tal van onderzoeksgroepen mee bezig zijn. De stabiliteit van een enkele spin en de verstrengeling van verschillende spins hangt af, onder andere, op de geometrie van de elektronen - die voorheen onmogelijk experimenteel kon worden bepaald.

Alleen mogelijk in kunstmatige atomen

Wetenschappers in de teams onder leiding van professoren Dominik Zumbühl en Daniel Loss van het departement Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel hebben nu een methode ontwikkeld waarmee ze de geometrie van elektronen in kwantumstippen ruimtelijk kunnen bepalen.

Een kwantumdot is een potentiaalval die het mogelijk maakt om vrije elektronen op te sluiten in een gebied dat ongeveer 1000 keer groter is dan een natuurlijk atoom. Omdat de gevangen elektronen zich op dezelfde manier gedragen als elektronen die aan een atoom zijn gebonden, kwantumstippen worden ook wel 'kunstmatige atomen' genoemd.

Het elektron wordt vastgehouden in de kwantumstip door elektrische velden. Echter, het beweegt in de ruimte en, met verschillende kansen die overeenkomen met een golffunctie, blijft op specifieke locaties binnen zijn opsluiting.

Ladingsverdeling werpt licht

De wetenschappers gebruiken spectroscopische metingen om de energieniveaus in de kwantumdot te bepalen en het gedrag van deze niveaus in magnetische velden van verschillende sterkte en oriëntatie te bestuderen. Op basis van hun theoretische model, het is mogelijk om de waarschijnlijkheidsdichtheid van het elektron en dus zijn golffunctie te bepalen met een precisie op sub-nanometerschaal.

"Simpel gezegd, we kunnen deze methode gebruiken om te laten zien hoe een elektron er voor het eerst uitziet, " legt Verlies uit.

Beter begrip en optimalisatie

De onderzoekers, die nauw samenwerken met collega's in Japan, Slowakije en de VS, zo een beter begrip krijgen van de correlatie tussen de geometrie van elektronen en de elektronenspin, die zo lang mogelijk stabiel moet zijn en snel omschakelbaar voor gebruik als qubit.

"We zijn in staat om niet alleen de vorm en oriëntatie van het elektron in kaart te brengen, maar ook de golffunctie regelen volgens de configuratie van de aangelegde elektrische velden. Dit geeft ons de mogelijkheid om heel gericht de controle over de spins te optimaliseren, ", zegt Zumbühl.

De ruimtelijke oriëntatie van de elektronen speelt ook een rol bij de verstrengeling van meerdere spins. Net als bij de binding van twee atomen aan een molecuul, de golffuncties van twee elektronen moeten op één vlak liggen voor een succesvolle verstrengeling.

Met behulp van de ontwikkelde methode talrijke eerdere studies kunnen beter worden begrepen, en de prestaties van spin-qubits kunnen in de toekomst verder worden geoptimaliseerd.