Des physiciens de l'Université de Bâle ont montré pour la première fois à quoi ressemble un seul électron dans un atome artificiel. Une méthode nouvellement développée leur permet de montrer la probabilité qu'un électron soit présent dans un espace. Cela permet un meilleur contrôle des spins des électrons, qui pourrait servir de plus petite unité d'information dans un futur ordinateur quantique. Les expériences ont été publiées dans Lettres d'examen physique et la théorie connexe dans Examen physique B .

Le spin d'un électron est un candidat prometteur pour être utilisé comme la plus petite unité d'information (qubit) d'un ordinateur quantique. Contrôler et commuter ce spin ou le coupler avec d'autres spins est un défi sur lequel travaillent de nombreux groupes de recherche dans le monde. La stabilité d'un seul spin et l'enchevêtrement de plusieurs spins dépendent, entre autres, sur la géométrie des électrons, qu'il était auparavant impossible de déterminer expérimentalement.

Uniquement possible dans les atomes artificiels

Les scientifiques des équipes dirigées par les professeurs Dominik Zumbühl et Daniel Loss du Département de physique et de l'Institut suisse des nanosciences de l'Université de Bâle ont maintenant développé une méthode leur permettant de déterminer spatialement la géométrie des électrons dans les points quantiques.

Une boîte quantique est un piège à potentiel qui permet de confiner des électrons libres dans une zone environ 1000 fois plus grande qu'un atome naturel. Parce que les électrons piégés se comportent de la même manière que les électrons liés à un atome, les points quantiques sont également appelés « atomes artificiels ».

L'électron est maintenu dans la boîte quantique par des champs électriques. Cependant, il se déplace dans l'espace et, avec différentes probabilités correspondant à une fonction d'onde, reste dans des endroits spécifiques au sein de son confinement.

La répartition des charges éclaire

Les scientifiques utilisent des mesures spectroscopiques pour déterminer les niveaux d'énergie dans la boîte quantique et étudier le comportement de ces niveaux dans des champs magnétiques de force et d'orientation variables. Sur la base de leur modèle théorique, il est possible de déterminer la densité de probabilité de l'électron et donc sa fonction d'onde avec une précision à l'échelle sub-nanométrique.

"Pour faire simple, nous pouvons utiliser cette méthode pour montrer à quoi ressemble un électron pour la première fois, " explique Loss.

Meilleure compréhension et optimisation

Les chercheurs, qui travaillent en étroite collaboration avec des collègues au Japon, la Slovaquie et les États-Unis, ainsi mieux comprendre la corrélation entre la géométrie des électrons et le spin des électrons, qui doit être stable le plus longtemps possible et rapidement commutable pour être utilisé comme qubit.

"Nous sommes capables non seulement de cartographier la forme et l'orientation de l'électron, mais aussi contrôler la fonction d'onde en fonction de la configuration des champs électriques appliqués. Cela nous donne la possibilité d'optimiser le contrôle des spins de manière très ciblée, " dit Zumbühl.

L'orientation spatiale des électrons joue également un rôle dans l'intrication de plusieurs spins. De la même manière que la liaison de deux atomes à une molécule, les fonctions d'onde de deux électrons doivent se trouver sur un même plan pour un enchevêtrement réussi.

A l'aide de la méthode développée, de nombreuses études antérieures peuvent être mieux comprises, et les performances des qubits de spin peuvent être encore optimisées à l'avenir.