物理学家首次确定电子的几何形状
巴塞尔大学的物理学家们首次展示了人工原子中单个电子的样子。一种新开发的方法使他们能够显示空间中存在电子的可能性。这使得电子自旋的控制得到改进，电子自旋可以作为未来量子计算机中最小的信息单元。实验结果发表在《物理评论快报》(《具有平面磁场的量子点轨道光谱学》)和《物理评论B》(《强平面磁场对门定义的量子点的轨道效应》)中。
电子的自旋是用作量子计算机最小信息单位(量子位)的一个很有前途的候选者。控制和切换这种自旋或将其与其他自旋耦合是一个挑战，全世界许多研究小组都在致力于此。单个自旋的稳定性和各种自旋的纠缠度，除其他因素外，取决于电子的几何形状——这在以前是不可能通过实验来确定的。
只有在人造原子中才有可能
巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所的Dominik Zumbuhl教授和Daniel Loss教授领导的研究小组的科学家们现在已经开发出一种方法，通过这种方法他们可以在空间上确定量子点中电子的几何形状。
量子点是一个潜在的陷阱，它可以将自由电子限制在比自然原子大1000倍的区域内。由于被捕获的电子的行为类似于束缚在原子上的电子，量子点也被称为“人造原子”。
电子被电场束缚在量子点中。然而，它在空间内运动，并且以与波函数对应的不同概率，保持在其约束内的某些位置。
(图片:巴塞尔大学)
量子点中的电子以不同的概率保留在特定的位置(红色椭圆)。利用电场，可以改变这个波函数的几何形状。
电荷分布射灯
科学家们利用光谱测量来确定量子点的能级，并研究这些能级在不同强度和方向的磁场中的行为。根据他们的理论模型，可以在亚纳米尺度上精确地确定电子的概率密度及其波函数。
“简单地说，我们可以用这种方法首次展示电子的样子，”损耗解释道。
更好地理解和优化
这组研究人员与日本、斯洛伐克和美国的同事密切合作，从而更好地理解了电子几何形状与电子自旋之间的关系。
“我们不仅能绘制出电子的形状和方向，还能根据外加电场的结构控制波函数。这让我们有机会以一种非常有针对性的方式优化对旋转的控制，”Zumbuhl说。
电子的空间取向也在几个自旋的纠缠中起作用。类似于两个原子与一个分子的结合，两个电子的波函数必须位于一个平面上才能成功纠缠。
利用所开发的方法，可以更好地理解许多早期的研究，并在未来进一步优化自旋量子位元的性能。