電子雖然被困于量子點(diǎn)中，但它仍然能以與波函數(shù)對(duì)應(yīng)的不同概率在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并停留在其限制區(qū)域內(nèi)的特定位置。利用電場(chǎng)作用下的金閘門(mén)，研究人員可以改變波函數(shù)的幾何形狀。

phys.org網(wǎng)站5月23日?qǐng)?bào)道，瑞士巴塞爾大學(xué)（University of Basel）的物理學(xué)家首次展示了人工原子中單個(gè)電子的“模樣”：他們用一種新開(kāi)發(fā)的方法表述了電子在限定空間內(nèi)出現(xiàn)的可能性。該成果將對(duì)電子自旋的控制有優(yōu)化作用。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》和《物理評(píng)論B輯》中。

電子自旋是量子計(jì)算機(jī)最小信息單位——量子位的潛在“候選”?？刂齐娮幼孕?qū)⑵渑c其他自旋產(chǎn)生耦合是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。對(duì)單個(gè)電子自旋的穩(wěn)定性和與其他自旋的糾纏度而言，電子的幾何形狀是一個(gè)重要的影響因素。并且，此前這是無(wú)法用實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。

巴塞爾大學(xué)物理系教授Dominik Zumbühl和納米科學(xué)研究所教授Daniel Loss領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種方法，可以在限定空間內(nèi)確定量子點(diǎn)中電子的幾何形狀。量子點(diǎn)是一種潛在“陷阱”，它將自由電子限制在一個(gè)1000倍自然原子大小的區(qū)域內(nèi)。由于被捕獲電子的行為與束縛在原子上的電子的行為類(lèi)似，量子點(diǎn)也被稱(chēng)為“人造原子”。雖然電子被電場(chǎng)束縛在量子點(diǎn)中，但它仍然能以與波函數(shù)對(duì)應(yīng)的不同概率在限定空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并停留在約定范圍內(nèi)的特定位置。

Zumbühl等利用光譜技術(shù)測(cè)定了量子點(diǎn)的能級(jí)，并研究了其在不同強(qiáng)度和方向的磁場(chǎng)中的行為。根據(jù)Zumbühl等理論模型，他們可以在亞納米尺度上精確地確定電子的概率密度和波函數(shù)。Loss教授解釋說(shuō)：“簡(jiǎn)而言之，我們用這種方法首次描繪了電子的模樣?！?Zumbühl等還與來(lái)自日本、斯洛伐克和美國(guó)等國(guó)家的同仁密切合作，深入研究了電子幾何形狀與電子自旋之間的關(guān)系。Zumbühl說(shuō)：“我們不僅能繪制出電子的形狀和取向，還能根據(jù)外加電場(chǎng)控制波函數(shù)。這讓我們有機(jī)會(huì)能以針對(duì)性的方式優(yōu)化自旋控制。”電子的空間取向也對(duì)多個(gè)自旋的糾纏有影響。例如，兩個(gè)電子的波函數(shù)必須位于同一平面才能形成糾纏。

Zumbühl等開(kāi)發(fā)的方法不僅可以用于解釋許多早期研究的謎團(tuán)，還能用于在未來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化自旋量子位的性能。

原創(chuàng)編譯：雷鑫宇 責(zé)編：張夢(mèng)