هندسه الکترون برای اولین بار، تعیین شد!

فیزیکدانان دانشگاه بازل سوییس برای نخستین بار، نشان داده‌اند یک الکترون در یک اتم مصنوعی چگونه به نظر می‌رسد و در واقع هندسه الکترون را تعیین کرده‌اند. آنها به کمک روش جدیدی توانسته‌اند احتمال حضور یک الکترون را در فضا نشان دهند. این روش سبب بهبود کنترل اسپین الکترون نیز می‌شود. اسپین الکترون می‌تواند به عنوان کوچکترین واحد اطلاعاتی در کامپیوترهای کوانتومی آینده استفاده شود. نتایج این آزمایش‌های جذاب دو روز پیش در مجله‌ی معتبر PRL منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

اسپین الکترون، نامزد نویدبخشی برای کوچکترین واحد اطلاعاتی (کیوبیت) در یک کامپیوتر کوانتومی است. در واقع، کنترل و تغییر اسپین و جفت کردن آن با سایر اسپین‌ها، چالشی است که گروه‌های پژوهشی زیادی را در سراسر جهان، به خود مشغول کرده است. پایداری یک اسپین و درهم تنیدگی اسپین‌های مختلف، در کنار سایر عوامل، به هندسه الکترون‌ بستگی دارد، خصلتی که پیش از این، آشکارسازی آن به طور آزمایشگاهی ممکن نبود.

اکنون فیزیکدانان دانشگاه بازل سوییس، روشی توسعه داده‌اند که می‌تواند هندسه‌ الکترون را به طور فضایی در نقاط کوانتومی تعیین کند. یک نقطه کوانتومی، یک دام پتانسیلی است که امکان محصور کردن الکترون‌ها را در ناحیه‌ای که حدودا هزار برابر بزرگتر از یک اتم طبیعی است، می‌دهد. از آنجایی که الکترون‌های به دام افتاده، شبیه به الکترون‌های محصور در یک اتم، رفتار می‌کنند، نقاط کوانتومی به عنوان اتم‌ های مصنوعی نیز شناخته می‌شوند. الکترون در نقاط کوانتومی توسط میدان های الکتریکی نگه داشته می‌شود، این الکترون درون فضا و با احتمالات متفاوت متناظر با تابع موجش حرکت کرده و در مکان‌های خاصی درون ناحیه محصور شدنش، باقی می‌ماند. از این رو، نقاط کوانتومی، بهترین و تنها آزمایشگاه برای انجام این آزمایش بودند.

دانشمندان از اندازه گیری‌های طیف سنجی برای تعیین سطوح انرژی در نقاط کوانتومی استفاده کرده و رفتار این سطوح را در میدان های مغناطیسی با قدرت و جهت متغیر مطالعه نمودند. بر اساس مدل نظری آنها، تعیین چگالی احتمال الکترون و بنابراین تابع موجش با دقتی در مقیاس زیر نانومتر امکان‌پذیر است.

محققانی که در زمینه‌ای بسیار نزدیک به پژوهش مورد نظر و در ژاپن، اسلواکی و آمریکا کار می‌کنند، به کمک این روش، درک بهتری از همبستگی بین هندسه‌ الکترون ها و اسپین‌ها بدست می‌آورند که می‌تواند به ساختن کیوبیت‌های پایدارتر کمک کند. محققان می‌گویند:

ما نه تنها می‌توانیم شکل و جهت الکترون را به تصویر بکشیم، بلکه همچنین می‌توانیم تابع موج مطابق با پیکربندی میدان های الکتریکی اعمال شده را نیز کنترل کنیم. این امر، فرصتی برای بهینه‌سازی کنترل اسپین‌ها به شیوه‌ای بسیار هدفمند را به ما می‌دهد.

از طرفی جهت‌گیری فضایی الکترون‌ها، در درهم تنیدگی چند اسپین، بسیار مهم است. مشابه اتصال دو اتم به یک ملکول، برای یک درهم تنیدگی موفق نیز، تابع موج دو الکترون باید روی یک صفحه قرار بگیرند. مطالعات قبلی با کمک این روش جدید می‌توانند بهتر درک شوند و عملکرد کیوبیت‌های اسپینی می‌تواند در آینده، بیشتر بهینه شود.