El espín de un electrón es un candidato prometedor para su uso como la unidad de información más pequeña (qubit) de un ordenador cuántico. Controlar y cambiar este espín o entrelazarlo con otros es un desafío en el que trabajan numerosos grupos de investigación de todo el mundo. La estabilidad de un solo espín y el entrelazado de varios depende, entre otras cosas, de la geometría de los electrones, que hasta ahora había sido imposible determinar experimentalmente.
Solo posible en átomos artificiales
Los científicos en los equipos liderados 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 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 por campos eléctricos. Sin embargo, se mueve dentro del espacio y, con diferentes probabilidades correspondientes a una función de onda, permanece en ciertas ubicaciones dentro de su confinamiento.
La distribución de carga arroja luz
Los científicos utilizan mediciones espectroscópicas para determinar los niveles de energía en el punto cuántico y estudiar el comportamiento de estos niveles en campos magnéticos de intensidad y orientación variables. Sobre la base de su modelo teórico, es posible determinar la densidad de probabilidad del electrón y, por lo tanto, su función de onda con una precisión en la escala sub-nanométrica.
«Resumiendo. Podemos usar este método para mostrar cómo se ve un electrón por primera vez», explica Daniel Loss.
Mejor comprensión y optimización
Los investigadores, que trabajan en estrecha colaboración con colegas en Japón, Eslovaquia y los EE. UU., obtienen así 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 rápidamente intercambiable para su uso como un qubit.
«No solo podemos mapear la forma y la orientación del electrón, sino también controlar la función de onda de acuerdo con la configuración de los campos eléctricos aplicados. Esto nos da la oportunidad de optimizar el control de los espines de una manera muy específica», dice Dominik Zumbühl.
La orientación espacial de los electrones también desempeña un papel en el entrelazado 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 entrelazado exitoso.
Con la ayuda del método desarrollado, un gran número de estudios anteriores se pueden comprender mejor y el rendimiento de los qubits de espín se puede optimizar aún más en el futuro.
La investigación ha sido publicada en Physical Review Letters y Physical Review B.
Fuente: Science Daily