Greep op een enkel elektron

Een van de unieke eigenschappen van kwantumdeeltjes is dat ze zich in meerdere toestanden tegelijk kunnen bevinden. Een atoom of elektron is dan in een zogenaamde superpositie van twee toestanden. Zo kan bijvoorbeeld de zogenaamde ‘spin’ van een elektron tegelijk twee verschillende richtingen op gaan. Zo’n deeltje kan dus tegelijk 0 én 1 zijn, en niet alleen 0 óf 1 zoals bij een gewone computerschakeling. Dat maakt supersnel rekenwerk mogelijk. Tot nu toe was het echter niet mogelijk om een deeltje gedurende een langere tijd in een bepaalde stand te houden, omdat de omgeving – ook bestaande uit kwantumdeeltjes – de toestand constant verstoorde. Juist daar kregen onderzoekers tot nu toe geen vat op.

De Delftse onderzoekers losten het probleem echter op door de omgeving te stabiliseren. Zij toonden al eerder aan dat het mogelijk is om de spin van een elektron aan te sturen met behulp van een kwantum dot, een doosje op nanoschaal. Het probleem is echter dat de atoomkernen in het materiaal van dat doosje ook een eigen spin hebben. Doordat spins werken als minuscule magneetjes, trekken en duwen ze aan de spin van het elektron in het doosje. Maar het elektron trekt en duwt ook terug.

De wisselwerking tussen de elektronspin en de spin van de omliggende atoomkernen stelde de onderzoekers echter juist in staat om de spins vast te pinnen. Zij stuurden een elektrische stroom door het nanodoosje en beïnvloedden hiermee de spinrichting van de kernspins. Door de wisselwerking tussen de spin van het elektron en de kernspins uit de omgeving kon uiteindelijk een situatie worden gecreëerd waarin de kernspins niet meer willekeurig varieerden, maar juist relatief stabiel werden. De stabiele omgeving maakt het nu mogelijk om de fragiele maar belangrijke superpositietoestand voor langere tijd te bewaren.

De onderzoekers onder leiding van Vidiwinnaar en FOM-werkgroepleider Lieven Vandersypen publiceren de resultaten van hun werk op 16 augustus in Nature Physics.