Experimento determina pela primeira vez a geometria de um único elétron

Método mostra formato da partícula, e pode abrir novo caminho para projeto de computadores quânticos

Uma equipe de físicos da Universidade de Basiléia, na Suíça, conseguiu criar pela primeira vez um mapa geométrico de um único elétron, usando um recurso conhecido como “átomo artificial”. O novo método desenvolvido pelos pesquisadores permite a eles mostrar a probabilidade de que um elétron esteja presente em um determinado lugar. A técnica permite um controle maior dos spins das partículas, que poderiam vir a servir como a menor unidade de informação para um futuro computador quântico. Os resultados foram publicados na revista Physical Review Letters, e a teoria relacionada na Physical Review B.

O spin de um elétron é um candidato promissor para ser usado como a menor unidade de informação em um computador quântico, denominada de qubit (bit quântico). Controlar e trocar esse spin, ou combiná-lo com outros spins, é um desafio que muitos grupos de pesquisa ao redor do mundo ainda enfrentam. A estabilidade de um único spin e o entrelaçamento de vários spins dependem, entre outras coisas, da geometria dos elétrons — algo que até aqui era impossível de se determinar experimentalmente.

Possível apenas em átomos artificiais

Cientistas das equipes lideradas por Dominik Zumbühl e Daniel Loss, do Departamento de Física e do Instituto Suíço de Nanociência da Universidade da Basileia, desenvolveram um novo método que pode determinar espacialmente a geometria dos elétrons em um ponto quântico.

Pontos quânticos são “armadilhas potenciais” em que é possível confinar elétrons livres em uma área cerca de 1000 vezes superior à de um átomo natural. Como os elétrons aprisionados se comportam de forma semelhante àqueles que estão ligados a um átomo, os pontos quânticos também são chamados de “átomos artificiais”.

O elétron é mantido dentro do ponto quântico pela ação de campos elétricos. No entanto, ele pode se mover naquele espaço. As partículas podem ficar em lugares determinados dentro da região onde estão confinadas, sendo que a probabilidade de estarem em cada lugar é dada por uma função de onda.

Os cientistas usaram medições de espectroscopia para determinar os vários níveis de energia de um ponto quântico, e depois estudaram o comportamento desses níveis quando submetidos aos efeitos de campos magnéticos de diferentes forças e orientações. Usando-se o novo modelo teórico, é possível determinar a densidade de probabilidades para um elétron e, daí, sua função de onda, com uma precisão infrananométrica.

“Simplificando, podemos usar esse método para mostrar como um elétron se parece pela primeira vez”, explica Loss.

Os pesquisadores, que trabalham em conjunto com colegas do Japão, Eslováquia e Estados Unidos, têm agora um entendimento melhor da correlação entre a geometria dos elétrons e de seus spins, que devem ficar estáveis pelo maior tempo possível, e também poderem ser alterados rapidamente, para que possam ser usados como bit quânticos.

“Não apenas conseguimos mapear a forma e a orientação do elétron, mas também controlar a sua função de onda de acordo com a configuração dos campos elétricos aplicados. Isso nos dá a oportunidade de otimizar o controle dos spins de forma muito precisa”, diz Zumbühl.

A orientação espacial dos elétrons também influencia no entrelaçamento de vários spins. De modo similar à combinação de dois átomos em uma molécula, as funções de onda de dois elétrons precisam estar em um único plano para que o entrelaçamento possa acontecer.

Com a ajuda desse novo método, é possível compreender melhor diversos estudos feitos anteriormente, e no futuro, a performance dos spins como unidade de informação pode ser otimizada.