Например, чтобы изучить отдельные атомы, исследователи используют свет, сфокусированный зеркалами, для усиления взаимодействия между световыми волнами и атомами. Группе физиков из ETH Zurich, работающей в рамках Национального центра компетенций в области исследований квантовой науки и технологий (NCCR QSIT), теперь удалось построить резонатор, который фокусирует электроны, а не световые волны. В ближайшем будущем такие резонаторы могут быть использованы для создания квантовых компьютеров и для исследования многочастичных эффектов в твердых телах.В своих экспериментах исследователи, получившие докторскую степень, Клеменс Росслер и Одед Зильберберг использовали полупроводниковые структуры, в которых электроны могут свободно перемещаться только в одной плоскости.
На одном конце этой плоскости находится так называемая квантовая точка: крошечная ловушка для электронов шириной всего в сотню нанометров, в которой благодаря квантовой механике электроны находятся в четко определенных энергетических состояниях, подобных состояниям атома. Поэтому такие квантовые точки также известны как «искусственные атомы». На другом конце, всего в нескольких микрометрах, изогнутый электрод действует как изогнутое зеркало, которое отражает электроны при приложении к нему напряжения.Лучшие материалы
Возможность такой фокусировки электронов исследовалась еще в 1997 году в Гарвардском университете. Однако исследователи ETH теперь могли работать с гораздо лучшими материалами, которые были произведены собственными силами в лаборатории Вернера Вегшайдера для передовых полупроводниковых квантовых материалов. «Эти материалы в сто раз чище, чем те, которые использовались в то время, — объясняет Росслер, — и, следовательно, электроны могут беспрепятственно перемещаться в сотни раз дольше».
Это, в свою очередь, позволяет очень четко видеть квантово-механическую волновую природу электронов, чего не было в тех более ранних работах.В своих экспериментах физики обнаруживают эту волновую природу, измеряя ток, протекающий от квантовой точки к изогнутому зеркалу. Этот ток изменяется характерным образом при изменении приложенного напряжения. «Наши результаты показывают, что электроны в резонаторе не просто летают взад и вперед, но фактически образуют стоячую волну и, таким образом, когерентно соединяются с квантовой точкой», — подчеркивает Росслер, который разработал эксперимент в группе профессора ETH Клауса Энслина. В отличие от световых волн, спин электронов также заставляет их вести себя как крошечные магниты.
Действительно, исследователи смогли показать, что взаимодействие между электронами в квантовой точке и электронной волной в резонаторе происходит через спин. «В будущем это спин-когерентное взаимодействие может позволить соединять квантовые точки на больших расстояниях», — говорит Зильберберг, который разработал теоретическую модель для эксперимента Росслера в группе профессора ETH Джанни Блаттера.Подходит для квантовых компьютеровНекоторое время назад квантовые точки рассматривались как возможные кандидаты для создания так называемых квантовых битов или «кубитов», которые используются в квантовых компьютерах. До сих пор квантовые точки в таком компьютере должны были находиться очень близко друг к другу, чтобы добиться необходимой связи для выполнения вычислений.
Однако это затрудняло контроль и считывание отдельных кубитов. Связь на больших расстояниях через резонатор соответствующей конструкции может элегантно решить эту проблему.Фундаментальная наука также может извлечь выгоду из электронных резонаторов, реализованных исследователями ETH, например, при изучении эффекта Кондо.
Этот эффект возникает, когда множество электронов вместе взаимодействуют с магнитным моментом примеси в материале. С помощью резонатора и квантовой точки, моделирующей такую примесь, физики надеются очень точно изучить эффект Кондо.Молодым докторантам потребовалось чуть больше года, чтобы перейти от идеи своего исследования, которое выросло из обсуждений во время предыдущего эксперимента, до статьи, которая сейчас опубликована.
У Зильберберга есть простое объяснение того, почему это могло произойти так быстро: «В сети QSIT легко наладить спонтанное сотрудничество между разными группами, поскольку мы близки как тематически, так и пространственно, и мы часто участвуем в общих проектах. Плюс, если один требуется мнение эксперта, обычно он находится чуть дальше по коридору ".