Die Geometrie eines Elektrons

Physiker der Universität Basel können erstmals zeigen, wie ein einzelnes Elektron in einem künstlichen Atom aussieht. Mithilfe einer neu entwickelten Methode sind sie in der Lage, die Aufenthalts­wahrscheinlichkeit eines Elektrons im Raum darzustellen. Dadurch lässt sich die Kontrolle von Elektronen­spins verbessern, die als kleinste Informations­einheit eines zukünftigen Quanten­computers dienen könnten.

Der Spin eines Elektrons ist ein 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 unter anderem von der Geometrie der Elektronen ab, die bislang jedoch experimentell nicht zu bestimmen war.

Die Teams um Dominik Zumbühl und Daniel Loss vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie zum ersten Mal die Geometrie von Elektronen in Quanten­punkten räumlich erfassen können. In einem Quantenpunkt 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.

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“, erklärt Daniel Loss.

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. „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“, sagt Dominik 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 zahlreiche bisher durch­geführte Untersuchungen besser verstehen und zukünftige optimieren.

U. Basel / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. C. Camenzind et al.: Spectroscopy of Quantum Dot Orbitals with In-Plane Magnetic Fields, Phys. Rev. Lett. 122, 207701 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.207701
• Quantum Coherence Lab (D. Zumbühl), Universität Basel