Geometrie eines Elektrons untersucht Das Elektron in der Quantenfalle

Forscher der Universität Basel sind der Gestalt von Elektronen auf der Spur. Sie haben mithilfe einer Elektronenfalle die Elektronen-Geometrie untersucht und können damit die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Raum darstellen. Dadurch lässt sich die Kontrolle von Elektronenspins verbessern, die als Informationseinheit zukünftiger Quantencomputer dienen könnten.

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Basel/Schweiz – Elektronen sind schwer zu fassende Elementarteilchen, unterliegen sie doch der Heisenbergschen Unschärferelation. In Atomen lassen sich daher nur die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen beschreiben.

Wissenschaftler aus den Teams der Professoren Dominik Zumbühl und Daniel Loss vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben nun aber eine Methode entwickelt, mit der sie zum ersten Mal die Geometrie von Elektronen in Quantenpunkten räumlich erfassen können.

Quantenpunkt: Ein künstliches Atom

Bei einem Quantenpunkt handelt es sich um einen umgrenzten Bereich eines Halbleiters, der etwa tausendmal größer ist als ein natürliches Atom. Darin befindet sich ein freies Elektron, das nicht in einem Atom gebunden ist, sich aber ähnlich verhält, weshalb Quantenpunkte auch „künstliche Atome“ genannt werden.

Das Elektron wird im Quantenpunkt durch elektrische Felder festgehalten. Es bewegt sich jedoch im Raum und hält sich mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten, die einer Wellenfunktion entsprechen, an bestimmten Orten innerhalb seiner Falle auf.

Messung im Subnanometerbereich

Durch Anlegen von Magnetfeldern verschiedener Stärke und Richtung können die Wissenschaftler mithilfe spektroskopischer Messungen die Energieniveaus im Quantenpunkt ermitteln. Anhand eines von ihnen entwickelten theoretischen Models lässt sich daraus die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons und damit seine Wellenfunktion mit einer Präzision im Subnanometerbereich bestimmen.

„Vereinfacht lässt sich sagen, dass wir mit dieser Methode erstmals zeigen können, wie ein Elektron aussieht“, sagt Loss.

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Elektronenspins und Qubits besser verstehen lernen

Die Forscher, die eng mit Kollegen aus Japan, der Slowakei und den USA zusammenarbeiten, bekommen damit ein besseres Verständnis für die Korrelation zwischen Geometrie der Elektronen und dem Elektronenspin, der für die Verwendung als Qubit möglichst lange stabil und schnell umschaltbar sein sollte.

Schließlich gilt der Spin eines Elektrons als vielversprechender Kandidat, um als kleinste Informationseinheit (Qubit) eines Quantencomputers genutzt zu werden. Diesen Spin zu kontrollieren, umzuschalten und mit anderen Spins zu koppeln ist eine Herausforderung, an der zahlreiche Forschungsgruppen weltweit arbeiten. Die Stabilität eines einzelnen und die Verschränkung verschiedener Spins hängt u.a. von der Geometrie der Elektronen ab, die von den Teams um Loss und Zumbühl nun erstmals experimentell bestimmt wurde.

Spinkontrolle dank elektrischer Felder

„Wir können nicht nur Form und Ausrichtung des Elektrons abbilden, sondern die Wellenfunktion je nach Einstellung der angelegten elektrischen Felder auch steuern. Damit haben wir die Möglichkeit, ganz gezielt die Kontrolle über die Spins zu optimieren“, erklärt Zumbühl.

Auch für die Verschränkung mehrerer Spins spielt die räumliche Ausrichtung der Elektronen eine Rolle. Wie bei der Bindung von zwei Atomen zu einem Molekül müssen die Wellenfunktionen zweier Elektronen auf einer Ebene liegen, damit es zu einer erfolgreichen Verschränkung kommt. Mithilfe der entwickelten Methode lassen sich den Forschern zufolge zahlreiche bisher durchgeführte Untersuchungen besser verstehen und zukünftige optimieren.

Originalpublikationen:

Leon C. Camenzind, Liuqi Yu, Peter Stano, Jeramy D. Zimmerman, Arthur C. Gossard, Daniel Loss, and Dominik M. Zumbühl: Spectroscopy of quantum dot orbitals with in-plane magnetic fields. Physical Review Letters, Vol. 122, Iss. 20 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.207701

Peter Stano, Chen-Hsuan Hsu, Leon C. Camenzind, Liuqi Yu, Dominik Zumbühl, and Daniel Loss: Orbital effects of a strong in-plane magnetic field on a gate-defined quantum dot. Physical Review B, Vol. 99, Iss. 8 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevB.99.085308

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