Basel Üniversitesi fizikçileri ilk kez tek bir elektronun yapay bir atomda nasıl göründüğünü göstermeyi başardılar. Yeni geliştirilen bir yöntem, bir uzayda bir elektronun bulunma olasılığını göstermelerini sağlar. Bu, gelecekteki kuantum bilgisayarında en küçük bilgi birimi olarak kullanılabilecek ve elektron spinlerinin gelişmiş kontrolüne izin vermesini sağlayacak.
Bir elektronun spini, kuantum bilgisayarın en küçük bilgi birimi (kübit) olarak kullanılmak üzere umut verici bir adaydır. Bu dönüşü kontrol etmek ve değiştirmek veya diğer spinlerle birleştirmek, dünya çapında çok sayıda araştırma grubunun üzerinde çalıştığı bir sorundur. Tek bir dönüşün stabilitesi ve çeşitli spinlerin birbirine karışması, diğer şeylerin yanı sıra, daha önce deneysel olarak belirlenmesi imkansız olan elektronların geometrisine bağlıdır.Bu geometrilerin belirlenmesi sadece yapay atomlarda mümkündür.
Bir elektron, yarı iletken bir gofrette iki boyutlu bir gazda oluşan bir kuantum noktasında hapsolur. Bununla birlikte, elektron boşluk içinde hareket eder ve bir dalga fonksiyonuna karşılık gelen farklı olasılıklarla, hapsinde belirli yerlerde kalır (kırmızı elipsler). Elektrik kapıları uygulanan elektrik kapıları kullanılarak, bu dalga fonksiyonunun geometrisi değiştirilebilir. (Resim: Basel Üniversitesi, Fizik Bölümü)
Fizik Bölümü'nden profesör Dominik Zumbühl ve profesör Daniel Loss tarafından yönetilen ekiplerdeki bilim adamları ve Basel Üniversitesi İsviçre Nanobilim Enstitüsü şimdi elektronların kuantum noktalarındaki geometrisini mekânsal olarak belirleyebilecekleri bir yöntem geliştirdiler.
Bir kuantum noktası, doğal bir atomdan yaklaşık 1000 kat daha büyük bir alanda serbest elektronları sınırlandırmaya izin veren potansiyel bir tuzaktır. Sıkışmış elektronlar bir atoma bağlı elektronlara benzer şekilde davrandığından, kuantum noktaları “yapay atomlar” olarak da bilinir.
Elektron kuantum noktasında elektrik alanlarla tutulur. Bununla birlikte, boşluk içinde hareket eder ve bir dalga fonksiyonuna karşılık gelen farklı olasılıklarla, hapsinde belirli yerlerde kalır.
Şarj dağıtımı ışık tutuyor
Bilim adamları, kuantum noktasındaki enerji seviyelerini belirlemek ve değişen güç ve yönelime sahip manyetik alanlardaki bu seviyelerin davranışını incelemek için spektroskopik ölçümler kullanırlar. Teorik modellerine dayanarak, elektronun olasılık yoğunluğunu ve dolayısıyla dalga fonksiyonunu, nanometre altı ölçeğinde bir hassasiyetle belirlemek mümkündür.
“Basitçe söylemek gerekirse, bu yöntemi bir elektronun ilk kez neye benzediğini göstermek için kullanabiliriz” diye açıklıyor.
Daha iyi anlama ve optimizasyon
Japonya, Slovakya ve ABD'deki meslektaşları ile yakın bir şekilde çalışan araştırmacılar, elektronların geometrisi ile elektron spini arasındaki korelasyonu mümkün olduğunca uzun süre kararlı ve hızlı bir şekilde değiştirilebilir olması için daha iyi bir anlayış kazanıyorlar.
Profesör Zumbühl şöyle diyor “Sadece elektronun şeklini ve yönünü haritalayamıyoruz, aynı zamanda uygulanan elektrik alanlarının konfigürasyonuna göre dalga fonksiyonunu da kontrol edebiliyoruz. Bu bize spinlerin kontrolünü çok hedefli bir şekilde optimize etme fırsatı veriyor ”
Elektronların uzamsal oryantasyonu da birkaç spinin birbirine karışmasında rol oynar. İki atomun bir moleküle bağlanmasına benzer şekilde, başarılı bir dolaşma için iki elektronun dalga fonksiyonları bir düzlemde uzanmalıdır.
Geliştirilen yöntemin yardımıyla, daha önceki çok sayıda çalışma daha iyi anlaşılabilir ve spin kubitlerin performansı gelecekte daha da optimize edilebilir.
Elektron spini:Elektronun s = 1/2 olan spini, elektronun içsel bir özelliğidir. Elektronlar, ½ kuantum sayısı ile karakterize edilen içsel açısal momentuma sahiptir.
Kaynaklar:
