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物理学家首次确定了电子的几何形状

时间:2019-05-29来源:未知浏览次数:

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。

科界原创

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

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