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LA GEOMETRÍA DE UN ELECTRÓN, DETERMINADA POR PRIMERA VEZ

ELECTRÓN

Un electrón está atrapado en un punto cuántico, que se forma en un gas bidimensional en una oblea semiconductora. Sin embargo, el electrón se mueve dentro del espacio y, con diferentes probabilidades correspondientes a una función de onda, permanece en ciertas ubicaciones dentro de su confinamiento (elipsis roja). Usando los campos eléctricos aplicados de las puertas de oro, se puede cambiar la geometría de esta función de onda. (Imagen: Universidad de Basilea, Departamento de Física).

 

Universidad de Basilea

Los físicos de la Universidad de Basilea han logrado mostrar por primera vez cómo se ve un solo electrón en un átomo artificial. Un método recientemente desarrollado les permite mostrar la probabilidad de que un electrón esté presente en un espacio. Esto permite un mejor control de los spins (giros) del electrón, que podrían servir como la unidad de información más pequeña en una futura computadora cuántica. Los experimentos se publicaron en Physical Review Letters y la teoría relacionada en Physical Review B. El spin de un electrón es un candidato prometedor para su uso como la unidad de información más pequeña (qubit) de una computadora cuántica. Controlar y cambiar este spin o acoplarlo con otros spins es un desafío en el que trabajan numerosos grupos de investigación de todo el mundo. La estabilidad de un solo spin y el entrelazado de varios de ellos depende, entre otras cosas, de la geometría de los electrones, que anteriormente había sido imposible determinar experimentalmente.

Solo posible en átomos artificiales.

Los científicos en los equipos encabezados por los profesores Dominik Zumbühl y Daniel Loss del Departamento de Física y el Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basilea ahora 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 del sub-nanométrica “En pocas palabras, podemos usar este método para mostrar cómo se ve un electrón por primera vez”, explica Loos.

Mejor comprensión y optimización.

Los investigadores, que trabajan en estrecha colaboración con colegas en Japón, Eslovaquia y 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 giros de una manera muy específica” dice Zumbühl.

La orientación espacial de los electrones también desempeña un papel en el entrelazamiento de varios spins.

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 entrelazamiento exitoso. Con la ayuda del método desarrollado, numerosos estudios anteriores se pueden comprender mejor y el rendimiento de los qubits de espín se pueden optimizar aún más en el futuro, según explican los autores de este estudio.

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