Videnskabsmænd støder på en ny opdagelse, der kan fremme kvantecomputering

Videnskabsmænd ved DOE og Lawrence Berkeley National Laboratory havde en uventet opdagelse, der kan hjælpe med at fremme feltet af kvantecomputere og højtemperatur-superledere. Holdet tog det klareste billede nogensinde af elektroniske partikler, der udgør kvant-spin-væske (QSL), som er en magnetisk tilstand, som videnskabsmænd stadig ikke ved så meget om.

Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics.

Holdet var de første til at fange et sådant billede af, hvordan elektroner i en QSL nedbrydes i spinoner, eller spin-lignende partikler, og chargoner, ladnings-lignende partikler.

Mike Crommie er studieleder og senior fakultetsvidenskabsmand ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og fysikprofessor ved UC.

Sung-Kwan Mo er medforfatter og en stabsspecialist ved Berkeley Labs Advanced Light Source.

“Spinoner er som spøgelsespartikler. De er som Big Foot i kvantefysik — folk siger, at de har set dem, men det er svært at bevise, at de eksisterer,” sagde Mo. “Med vores metode har vi leveret nogle af de bedste beviser til dato.”

Opdagelse af Spinoner

Spinoner kan frit bevæge sig rundt, mens de transporterer varme og spin i en QSL. Dog har de ingen elektrisk ladning. Forskere har traditionelt været afhængige af teknikker, der søger efter varmesignaturer for at opdage spinoner.

Holdet kunne demonstrere, hvordan man kan karakterisere spinoner i QSL’er ved direkte at forestille sig, hvordan de er fordelt i et materiale.

Holdet startede studiet ved at dyrke enkeltlagsspecifikationer af tantalumdiselenid tre-atomer tykke. Materialet tilhører en klasse af materialer kaldet overgangsmetal-dichalcogenider (TMDC’er), og dette var nyttigt, da holdet er eksperter i molekylær strålepitaksi, som er en teknik til at syntetisere atomisk tynde TMDC-kristaller fra deres grundlæggende elementer.

Holdet karakteriserede derefter de tynde film gennem en teknik, der bruger røntgenstråler genereret på ASL. Denne teknik kaldes vinkel-resolveret fotoemissionsspektroskopi.

En anden teknik kaldet scanning tunnelmikroskopi (STM) blev brugt af forskere i Crommie-laboratoriet til at injicere tantalumdiselenid TMDC-prøven med elektroner. Det hold indeholdt medforfattere Wei Ruan, en postdoc på tidspunktet for forskningen, og Yi Chen, en UC Berkeley-studerende på tidspunktet.

Forskerne gjorde en uventet opdagelse efter at have samlet billeder ved scanning tunnel-spektroskopi (STS), som er en billedteknik, der måler, hvordan partikler arrangerer sig ved en bestemt energi. Holdet fandt, at et lag af bølger med bølgelængder større end en nanometer dækkede overfladen af materialet.

“De lange bølgelængder, vi så, svarede ikke til noget kendt adfærd i krystallen,” sagde Crommie. “Vi ridsede vores hoveder i lang tid. Hvad kunne forårsage sådanne lange bølgelængder i krystallen? Vi udelukkede de konventionelle forklaringer en efter en. Lidt vidste vi, at dette var signalet fra spinon-spøgelsespartikler.”

Ved at kontakte en teoretisk samarbejdspartner på MIT fandt forskerne derefter ud af, at når en elektron injiceres i en QSL fra spidsen af en STM, bryder den sammen inde i QSL’en i to dele. Disse to dele er spinoner og chargoner, og det er et resultat af, hvordan spin og ladning i en QSL interagerer med hinanden. Mens spinon-partiklerne transporterer spinnen separat, bærer chargonerne den elektriske ladning separat.

“Ud af kroppen oplevelse”

STM/STS-billederne demonstrerede, at chargonerne fryser på plads og danner, hvad videnskabsmænd kalder en stjerne-David-ladnings-tæthedsbølge. På samme tid har spinonerne en “ud af kroppen oplevelse”, når de adskiller sig fra chargonerne og frit kan bevæge sig gennem materialet.

“Dette er usædvanligt, da elektroner i et konventionelt materiale normalt transporterer både spin og ladning kombineret i én partikel, mens de bevæger sig,” sagde Crommie. “De bryder normalt ikke sammen på denne mærkelige måde.”

Crommie siger også, at QSL’er kunne danne grundlag for robuste kvantebits, eller qubits, som er de grundlæggende byggesten i kvantecomputering. Konventionel computing afhænger af en bit, der kodificerer information som 0 eller 1, men qubits kan holde begge værdier samtidigt. Dette resulterer i langt hurtigere beregninger, og ved at forstå adfærden af spinoner og chargoner i QSL’er, kunne videnskabsmænd bruge dette til at fremme næste generation af computing.

Videnskabsmændene siger også, at ved at opnå en dybere forståelse af QSL’er, kunne de fungere som en forløber for eksotisk superledning, så Crommie vil teste forudsigelsen på ALS.

“En del af skønheden i dette emne er, at alle de komplekse interaktioner inden for en QSL på en eller anden måde kombinerer til at danne en enkel spøgelsespartikel, der bare hopper rundt inde i krystallen,” sagde han. “At se denne adfærd var ret overraskende, især da vi ikke engang ledte efter det.”