Door een elektron te vangen in een kunstmatig atoom konden Zwitserse onderzoekers voor het eerst de kans bepalen dat het deeltje op een bepaalde plek is. Die kansverdeling beschrijft de vorm van een elektron.

Van elektronen zijn de lading en massa al lang bekend. Maar de precieze geometrische vorm van de elementaire deeltjes waar onze elektronica op draait, was nog in nevelen gehuld.

Fossiele voetafdrukken geven een inkijkje in het leven van mensen in de steentijd
LEES OOK
Fossiele voetafdrukken geven een inkijkje in het leven van mensen in de steentijd

Wat moet je je voorstellen bij de vorm van een elektron? Volgens de wetten van de quantummechanica is een elektron geen klein rond kogeltje. Het is een deeltje én een golf. Die golf beschrijft de kans (of de waarschijnlijkheid) om het elektron ergens te vinden. De locatie van een elektron is dus geen duidelijk punt, maar een wolk van trefkansen. Alleen op het moment dat je een meting doet naar de locatie, is het elektron, heel even, op één gedefinieerd plekje.

Bij de top van de golf is de kans om het elektron te vinden het grootst. Maar het deeltje kan zich ook iets rechts, links, voor of achter dat punt bevinden.

Quantum dot

De onderzoekers hebben nu die golf van waarschijnlijkheden van de mogelijke vindplekken in kaart gebracht. Ze konden de locaties met bijbehorende kans heel nauwkeurig bepalen: tot op minder dan een nanometer (een miljoenste van een millimeter).

Daarvoor keken ze naar een elektron in een kunstmatig atoom, een zogeheten quantum dot. Dat is een piepklein deeltje van een paar nanometer groot. Het bestaat uit enkele honderden tot duizenden atomen. In een quantum dot kunnen elektronen ‘gevangen’ raken. Door elektrische velden van buitenaf kunnen ze in de quantum dot bewegen, maar niet daarbuiten. De elektronen gedragen zich in zo’n situatie op dezelfde manier als ze doen in een echt atoom. Omdat quantum dots gemiddeld duizend keer groter zijn dan een atoom, zijn ze gemakkelijker te onderzoeken dan echte atomen.

Met spectroscopische metingen bepaalden de onderzoekers de energie van het elektron in de quantum dot. Ook legden ze magnetische velden aan met verschillende sterktes en richtingen. Door te kijken hoe dat het elektron en de energie van het elektron beïnvloedt, konden ze een kansverdeling maken van de positie van het elektron. Zo brachten ze de geometrie van het elektron in kaart. ‘Simpel gezegd betekent het dat we met deze methode voor het eerst de vorm van een elektron hebben aangetoond’, zegt hoogleraar Daniel Loss van de Zwitserse Universiteit van Basel.

Een elektron zit gevangen in een quantum dot (rode ellips). Het elektron kan in de quantum dot bewegen, maar niet erbuiten. De beweging wordt gestuurd en gemeten door elektrische en magnetische velden, die worden opgewekt door de gele structuur. Bron: Universiteit van Basel, Departement of Physics.

Spinnende qubits

Fysici willen de geometrie van een elektron in een quantum dot beter begrijpen, om meer te leren over de controle van de elektronspin. Spin is een quantumeigenschap die je je voor kunt stellen als de richting waarin het elektron om zijn as draait. Er zijn twee mogelijkheden: ‘rechtsom’ spinnen of ‘linksom’ spinnen. Dankzij die quantumspin kunnen elektronen gebruikt worden als qubit, de bouwstenen van een toekomstige quantumcomputer. Hiervoor is het belangrijk dat de spin van elektronen gecontroleerd kan worden.

‘Met dit onderzoek kunnen we niet alleen de vorm en oriëntatie van het elektron in kaart brengen’, zegt hoogleraar Dominik Zumbühl van de Universiteit van Basel. ‘Het geeft ons ook de mogelijkheid om de controle over de spins op een zeer gerichte manier te optimaliseren voor gebruik in qubits.’