Descobrimos como é a geometria de um elétron

Por , em 27.05.2019
Um elétron preso em um ponto quântico. Ele se move dentro do espaço, mas, com diferentes probabilidades correspondentes a uma função de onda, permanece em certos locais dentro de seu confinamento (elipses vermelhas)

Físicos da Universidade de Basileia, na Suíça, mostraram como a geometria de um único elétron se parece pela primeira vez.

A descoberta foi feita através de um método recém-desenvolvido que permite aos cientistas calcular a probabilidade de um elétron estar presente em um espaço.

Isso, por sua vez, leva a um melhor controle dos spins dos elétrons, que poderiam servir como a menor unidade de informação em um futuro computador quântico.

Spin, computação quântica e geometria do elétron

O spin (ou “giro”) de um elétron representa as possíveis orientações que a partícula subatômica carregada pode exibir quando imersa em um campo magnético.

O spin é um candidato promissor para ser usado como a menor unidade de informação (ou qubit) de um computador quântico.

Controlar e alternar este giro ou acoplá-lo a outros spins são alguns dos desafios nos quais inúmeros grupos de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando.

A estabilidade de um único spin e o emaranhamento de vários spins dependem, entre outras coisas, da geometria dos elétrons – que antes era impossível de determinar experimentalmente.

Átomo artificial

O que os cientistas do Departamento de Física e do Instituto Suíço de Nanociência da Universidade de Basileia fizeram foi desenvolver um método pelo qual eles podiam determinar a geometria de elétrons espacialmente em pontos quânticos.

Um ponto quântico é uma “armadilha” que confina elétrons livres em uma área cerca de mil vezes maior que um átomo natural. Como os elétrons aprisionados se comportam de maneira semelhante aos elétrons ligados a um átomo, o ponto quântico também é chamado de “átomo artificial”.

O elétron pode se mover dentro desse espaço, mas, com diferentes probabilidades correspondentes a uma função de onda, permanece em locais específicos dentro de seu confinamento.

Os cientistas usaram medições espectroscópicas para determinar os níveis de energia no ponto quântico e estudar o comportamento desses níveis em campos magnéticos de força e orientação variadas. Com base em um modelo teórico, foi possível determinar a provável densidade do elétron e, assim, sua função de onda com precisão na escala subnanométrica.

“Para simplificar, podemos usar esse método para mostrar como um elétron se parece pela primeira vez”, explica um dos principais autores do estudo, Daniel Loss.

Otimização

Os pesquisadores, que trabalham em estreita colaboração com colegas no Japão, na Eslováquia e nos Estados Unidos, agora têm a chance de entender melhor a correlação entre a geometria e o spin do elétron, que deve ser estável pelo maior tempo possível e rapidamente comutável para ser usado como qubit.

“Nós podemos não apenas mapear a forma e a orientação do elétron, mas também controlar a função de onda de acordo com a configuração dos campos elétricos aplicados. Isso nos dá a oportunidade de potencializar o controle dos spins de maneira bem direcionada”, afirma outro pesquisador principal do estudo, Dominik Zumbühl.

Com o auxílio do método desenvolvido, vários estudos podem ser melhor compreendidos, e o desempenho de spin em qubits pode ser otimizado no futuro.

O resultado dos experimentos foi publicado em um artigo na revista científica Physical Review Letters, e a teoria relacionada foi publicada em um artigo na revista científica Physical Review B. [Phys]

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