物理学家首次确定了电子的几何形状
电子虽然被困于量子点中，但它仍然能以与波函数对应的不同概率在空间内运动，并停留在其限制区域内的特定位置。利用电场作用下的金闸门，研究人员可以改变波函数的几何形状。
phys.org网站5月23日报道，瑞士巴塞尔大学（University of Basel）的物理学家首次展示了人工原子中单个电子的“模样”：他们用一种新开发的方法表述了电子在限定空间内出现的可能性。该成果将对电子自旋的控制有优化作用。相关成果发表于《物理评论快报》和《物理评论B辑》中。
电子自旋是量子计算机最小信息单位——量子位的潜在“候选”。控制电子自旋或将其与其他自旋产生耦合是一个巨大的挑战。对单个电子自旋的稳定性和与其他自旋的纠缠度而言，电子的几何形状是一个重要的影响因素。并且，此前这是无法用实验来确定的。
巴塞尔大学物理系教授Dominik Zumbühl和纳米科学研究所教授Daniel Loss领导的研究小组开发了一种方法，可以在限定空间内确定量子点中电子的几何形状。量子点是一种潜在“陷阱”，它将自由电子限制在一个1000倍自然原子大小的区域内。由于被捕获电子的行为与束缚在原子上的电子的行为类似，量子点也被称为“人造原子”。虽然电子被电场束缚在量子点中，但它仍然能以与波函数对应的不同概率在限定空间内运动，并停留在约定范围内的特定位置。
Zumbühl等利用光谱技术测定了量子点的能级，并研究了其在不同强度和方向的磁场中的行为。根据Zumbühl等理论模型，他们可以在亚纳米尺度上精确地确定电子的概率密度和波函数。Loss教授解释说：“简而言之，我们用这种方法首次描绘了电子的模样。” Zumbühl等还与来自日本、斯洛伐克和美国等国家的同仁密切合作，深入研究了电子几何形状与电子自旋之间的关系。Zumbühl说：“我们不仅能绘制出电子的形状和取向，还能根据外加电场控制波函数。这让我们有机会能以针对性的方式优化自旋控制。”电子的空间取向也对多个自旋的纠缠有影响。例如，两个电子的波函数必须位于同一平面才能形成纠缠。
Zumbühl等开发的方法不仅可以用于解释许多早期研究的谜团，还能用于在未来进一步优化自旋量子位的性能。
原创编译：雷鑫宇 责编：张梦
期刊来源：《物理评论B辑》，《物理评论快报》
期刊编号：2469-9950，0031-9007
原文链接：https://phys.org/news/2019-05-geometry-electron.html
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