Vědci náhodou objevili nové zjištění, které by mohlo pokročit v oblasti kvantového počítačového zpracování

Vědci z DOE a Lawrence Berkeley National Laboratory provedli neočekávaný objev, který by mohl pomoci pokročit v oblasti kvantových počítačů a vysokoteplotních supravodičů. Tým pořídil nejčistší snímek dosud elektronových částic, které tvoří kvantovou spinovou kapalinu (QSL), což je magnetický stav, o kterém vědci dosud mnoho neví.

Výzkum byl zveřejněn v časopise Nature Physics.

Tým byl první, kdo pořídil takový snímek toho, jak elektrony v QSL se rozkládají na spinony, nebo spin-podobné částice, a chargony, náboj-podobné částice.

Mike Crommie je vedoucí studie a senior vědecký pracovník v Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a profesor fyziky na UC.

Sung-Kwan Mo je spoluautor a vědecký pracovník v Advanced Light Source v Berkeley Lab.

“Spinony jsou jako duchové částice. Jsou jako Big Foot kvantové fyziky — lidé říkají, že je viděli, ale je těžké prokázat, že existují,” řekl Mo. “Naším metodou jsme poskytli některé z nejlepších důkazů dosud.”

Detekce spinonů

Spinony se volně pohybují, zatímco nesou teplo a spin v QSL. Nicméně, nemají žádný elektrický náboj. Vědci tradičně spoléhají na techniky, které hledají tepelné signály, aby detekovali spinony.

Tým ukázal, jak charakterizovat spinony v QSL přímo zobrazováním jejich rozložení v materiálu.

Tým začal studii pěstováním jednovrstvých vzorků tantalové diselenidu tří atomů tlustých. Materiál patří do třídy materiálů nazývaných přechodové kovy dichalkogenidy (TMDC) a to bylo užitečné, protože tým jsou experti v molekulární svazkové epitaxii, což je technika pro syntézu atomicky tenkých TMDC krystalů z jejich základních prvků.

Tým poté charakterizoval tenké filmy pomocí techniky, která využívá rentgenové záření generované v ASL. Tato technika se nazývá úhlově rozlišená fotoemisní spektroskopie.

Další technika nazývaná skenovací tunelová mikroskopie (STM) byla použita výzkumníky v Crommie laboratoři k vstřikování elektronů do vzorku tantalové diselenidové TMDC. Tým zahrnoval spoluautory Wei Ruan, postdoktorálního výzkumníka v době výzkumu, a Yi Chen, studenta UC Berkeley v době výzkumu.

Výzkumníci provedli neočekávaný objev po získání snímků pomocí skenovací tunelové spektroskopie (STS), což je zobrazovací technika měřící, jak se částice uspořádají při určité energii. Tým nalezl, že vrstva vln s vlnovými délkami většími než jeden nanometr pokrývala povrch materiálu.

“Dlouhé vlnové délky, které jsme viděli, neodpovídaly žádné známé chování krystalu,” řekl Crommie. “Škrábali jsme hlavy po dlouhou dobu. Co by mohlo způsobit takové dlouhé vlnové modulace v krystalu? Vyloučili jsme konvenční vysvětlení jeden po druhém. Nikdy jsme netušili, že to je signatura spinonových duchových částic.”

Po kontaktování teoretického spolupracovníka na MIT, výzkumníci poté nalezli, že když je elektron vstřikován do QSL z vrcholu STM, rozpadá se uvnitř QSL na dvě části. Tyto dvě části jsou spinony a chargony a je to výsledek toho, jak spin a náboj v QSL interagují. Zatímco spinonové částice nesou spin samostatně, chargony samostatně nesou elektrický náboj.

“Mimo-tělesná zkušenost”

Snímky STM/STS prokázaly, že chargony zmrznou na místě a vytvářejí, co vědci nazývají hvězdicovitou vlnu nábojové hustoty. Současně spinony mají “mimo-tělesnou zkušenost”, když se oddělí od chargonů a pohybují se volně materiálem.

“To je neobvyklé, protože v konvenčním materiálu elektrony nesou jak spin, tak náboj spojené do jedné částice, zatímco se pohybují,” řekl Crommie. “Obvykle se neoddělují tímto způsobem.”

Crommie také říká, že QSL by mohly tvořit základ robustních kvantových bitů, nebo qubitů, které jsou základní stavební kameny kvantového počítačového zpracování. Konvenční počítačové zpracování spoléhá na bit, který kóduje informace jako nulu nebo jedničku, ale qubity mohou držet obě tyto hodnoty současně. To vede k mnohem rychlejším výpočtům a pochopením chování spinonů a chargonů v QSL by vědci mohli použít toto poznání k pokroku v näch-gen počítačovém zpracování.

Vědci také říkají, že hlubší pochopení QSL by mohlo sloužit jako předzvěst exotické supravodivosti, takže Crommie otestuje predikci na ALS.

“Část krásy tohoto tématu je, že všechny komplexní interakce uvnitř QSL nějak kombinují, aby vytvořily jednoduchou duchovou částici, která se prostě odráží uvnitř krystalu,” řekl. “Vidět toto chování bylo bastante překvapivé, zejména protože jsme pro to ani nehledali.”