Κβαντομηχανική: Ελέγχοντας τις κβαντικές καταστάσεις άτομο προς άτομο με μια νέα μέθοδο

Μια διεθνής ομάδα υπό την καθοδήγηση ερευνητών του Πανεπιστημίου της Βασιλείας ανέπτυξε μια μέθοδο για να μεταβάλλει τις κβαντομηχανικές καταστάσεις των ηλεκτρονίων μέσα σε μια διάταξη κβαντικών κουτιών. Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ερευνήσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφόρων τύπων ατόμων και ηλεκτρονίων, που είναι βασική για τις μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες, όπως αναφέρει η ομάδα στο περιοδικό Small.

Οι εφαρμογές της κβαντικής μηχανικής συχνά υπόκεινται στη θεμελιώδη ιδιότητα των κβάντα: κάθε μέτρηση αναπόφευκτα τροποποιεί την μετρούμενη κατάσταση. Τεχνολογίες όπως οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να σχεδιαστούν μόνο στη βάση γνωστών, καθαρά προσδιορισμένων και απλών αλληλεπιδράσεων μεταξύ μεμονωμένων συστατικών. Το Τμήμα Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας μαζί με το Ελβετικό Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης έχουν, τώρα, αναπτύξει μια μέθοδο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μελετήσει αυτά τα είδη αλληλεπιδράσεων σε ένα καλά ορισμένο σύστημα.

Τα ράστερ (ή Breadboard) είναι βάσεις που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών μετρήσεων για το σχεδιασμό και δοκιμή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, καθώς και για διδακτικούς σκοπούς. Η διαδικασία που αναπτύχθηκε από τη διεθνή κοινοπραξία, υπό την ηγεσία του Thomas Jung καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας, λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο: για πρώτη φορά, η νέα μέθοδος επιτρέπει στους ερευνητές να διαμορφώσουν ένα δίκτυο κβαντικών κουτιών για να σχηματίσουν ποικίλες κβαντικές ηλεκτρονικές καταστάσεις. Ένα κβαντικό κουτί είναι μια τεχνητά παραγόμενη δομή που περιορίζει τις κινήσεις ενός σωματιδίου, έτσι που μπορεί να κινείται μόνο σε δυο διαστάσεις. Αυτό μειώνει το περίπλοκο της αλληλεπίδρασης ενός σωματίου και απλοποιεί τις διαδικασίες μέτρησης και ανάλυσης.

Η ερευνητική ομάδα βελτίωσε μια προϋπάρχουσα μέθοδο στην οποία τα άτομα επανατοποθετήθηκαν το ένα μετά το άλλο χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (εικόνα κειμένου), επιτρέποντας τη δημιουργία καθαρά προσδιορισμένων κβαντικών συστημάτων. Μέσα από την στοχευμένη μετεγκατάσταση ατόμων ξένον (Xe) στα κβαντικά κουτιά, η ομάδα πέτυχε να παράγει διαφορετικά μοτίβα που αντιστοιχούν σε ένα ευρύ φάσμα των κβαντικών καταστάσεων.

Η ανάπτυξη της κβαντικής τεχνολογίας βασίζεται σε μια λεπτομερή κατανόηση της αλληλεξάρτησης μεταξύ των διαφόρων ηλεκτρονικών καταστάσεων, για παράδειγμα, σε διάφορα άτομα. Με τη μέθοδο των φυσικών, οι κβαντικές καταστάσεις μπορεί να αναπαραχθούν με ακρίβεια και να εξεταστούν αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφόρων χημικών στοιχείων και καλά καθορισμένων ηλεκτρονικών καταστάσεων – ένα «απεριόριστο πεδίο παιχνιδιού για τη μελέτη των κβαντικών καταστάσεων», όπως γράφουν οι ερευνητές στο Small.

Πηγή: University of Basel

Περισσότερα στη δημοσίευση: Configuring Electronic States in an Atomically Precise Array of Quantum Boxes, Small (2016