Físicos da Universidade de Basel mostraram pela primeira vez como um único elétron se parece em um átomo artificial.
Um método recém desenvolvido permite mostrar a probabilidade de um elétron estar presente no espaço. Isso permite um melhor controle sobre os spins dos elétrons, o que poderia servir como a menor unidade de informação em um futuro computador quântico.
O spin de um elétron é um candidato promissor para ser usado como a menor unidade de informação (qubit) de um computador quântico. Controlar e alternar este spin ou acoplá-lo uns aos outros, é um desafio no qual inúmeros grupos de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando.
A estabilidade de um único spin e o emaranhamento de vários spins dependem, entre outras coisas, da geometria dos elétrons – que antes era impossível determinar experimentalmente.
Só é possível em átomos artificiais
Cientistas das equipes lideradas pelos professores Dominik Zumbühl e Daniel Loss, do Departamento de Física e do Instituto Suíço de Nanociência da Universidade de Basel, desenvolveram um método pelo qual eles podem determinar espacialmente a geometria de elétrons em pontos quânticos.
Um ponto quântico é uma armadilha potencial que permite confinar os elétrons livres em uma área que é cerca de 1.000 vezes maior que um átomo natural.
Como os elétrons aprisionados se comportam de maneira semelhante aos elétrons ligados a um átomo, os pontos quânticos também são conhecidos como “átomos artificiais”.
O elétron são mantido em um ponto quântico através de campos elétricos. No entanto, ele se move dentro do espaço e, com diferentes probabilidades correspondentes a uma função de onda, permanece em locais específicos dentro de seu confinamento.
Distribuição de carga lança luz
Os cientistas usam medições espectroscópicas para determinar os níveis de energia em um ponto quântico para estudar o comportamento desses níveis em campos magnéticos de força e orientação variadas.
Com base em seu modelo teórico, é possível determinar a densidade de probabilidade do elétron e, assim, sua função de onda com precisão na escala sub-nanométrica.
“Para simplificar, podemos usar esse método para mostrar como um elétron se parece pela primeira vez”, explica Loss.
Melhor compreensão e otimização
Os pesquisadores, que trabalham em estreita colaboração com colegas no Japão, na Eslováquia e nos Estados Unidos, entendem melhor a correlação entre a geometria de elétrons e o spin do elétron, que deve ser estável pelo maior tempo possível e rapidamente comutável para uso como um qubit.
“Nós podemos não apenas mapear a forma e a orientação do elétron, mas também controlar a função de onda de acordo com a configuração dos campos elétricos aplicados. Isso nos dá a oportunidade de otimizar o controle dos spins de uma maneira bem direcionada”. diz Zumbühl.
A orientação espacial dos elétrons também desempenha um papel no entrelaçamento de vários spins. Similarmente à ligação de dois átomos a uma molécula, as funções de onda de dois elétrons devem estar em um plano para o emaranhamento bem-sucedido.
Com o auxílio do método desenvolvido, vários estudos anteriores podem ser melhor compreendidos, e o desempenho de spin em qubits pode ser ainda mais otimizado no futuro.