Wissenschaftler stoßen auf neue Entdeckung, die das Quantencomputing vorantreiben könnte

Wissenschaftler am DOE und am Lawrence Berkeley National Laboratory haben eine unerwartete Entdeckung gemacht, die das Feld der Quantencomputer und Hochtemperatursupraleiter vorantreiben könnte. Das Team hat das klarste Bild yet von elektronischen Teilchen, die den Quanten-Spin-Flüssigkeit (QSL) bilden, einem magnetischen Zustand, über den Wissenschaftler noch nicht viel wissen.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Das Team war das erste, das ein solches Bild von der Zerlegung von Elektronen in einem QSL in Spinonen, oder spin-ähnlichen Teilchen, und Chargonen, ladungs-ähnlichen Teilchen, aufnahm.

Mike Crommie ist der Leiter der Studie und Senior-Fakultätswissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und Physikprofessor an der UC.

Sung-Kwan Mo ist Co-Autor und Wissenschaftler am Advanced Light Source des Berkeley Lab.

“Spinonen sind wie Geister-Teilchen. Sie sind wie der Big Foot der Quantenphysik — die Leute sagen, sie haben sie gesehen, aber es ist schwer, zu beweisen, dass sie existieren”, sagte Mo. “Mit unserer Methode haben wir einige der besten Beweise bis heute geliefert.”

Detektion von Spinonen

Spinonen bewegen sich frei umher, während sie Wärme und Spin in einem QSL tragen. Sie haben jedoch keine elektrische Ladung. Forscher haben traditionell Techniken verwendet, die nach Wärme-Signaturen suchen, um Spinonen zu detektieren.

Das Team konnte demonstrieren, wie man Spinonen in QSLs durch direkte Bildgebung ihrer Verteilung in einem Material charakterisieren kann.

Das Team begann die Studie, indem es einzelne Schichten von Tantal-Diselenid, drei Atome dick, anbaute. Das Material gehört zu einer Klasse von Materialien, die als Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) bezeichnet werden, und dies war hilfreich, da das Team Experten in der Molekularstrahl-Epitaxie sind, einer Technik zur Synthese atomar dünner TMDC-Kristalle aus ihren Bestandteilen.

Das Team charakterisierte dann die dünnen Schichten durch eine Technik, die Röntgenstrahlen am ASL erzeugt. Diese Technik wird als winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie bezeichnet.

Eine weitere Technik, die als Rastertunnelmikroskopie (STM) bezeichnet wird, wurde von Forschern im Crommie-Labor verwendet, um das Tantal-Diselenid-TMDC-Probe mit Elektronen zu injizieren. Zu diesem Team gehörten die Co-Erstautoren Wei Ruan, ein Postdoktorand zum Zeitpunkt der Forschung, und Yi Chen, ein UC-Berkeley-Student zum Zeitpunkt der Forschung.

Die Forscher machten eine unerwartete Entdeckung, nachdem sie Bilder durch Rastertunnel-Spektroskopie (STS) aufgenommen hatten, einer Bildgebungstechnik, die misst, wie Teilchen sich bei einer bestimmten Energie anordnen. Das Team fand, dass eine Schicht von Wellen mit Wellenlängen größer als ein Nanometer die Oberfläche des Materials bedeckte.

“Die langen Wellen, die wir sahen, entsprachen keinem bekannten Verhalten des Kristalls”, sagte Crommie. “Wir haben uns lange den Kopf zerbrochen. Was könnte solche langen Wellen-Modulationen im Kristall verursachen? Wir haben die konventionellen Erklärungen einer nach dem anderen ausgeschlossen. Wir wussten nicht, dass dies das Zeichen von Spinon-Geister-Teilchen war.”

Nachdem sie sich an einen theoretischen Mitarbeiter am MIT gewandt hatten, fanden die Forscher heraus, dass, wenn ein Elektron in ein QSL von der Spitze eines STM injiziert wird, es innerhalb des QSL in zwei Teile auseinanderbricht. Diese beiden Teile sind Spinonen und Chargonen, und dies ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen Spin und Ladung in einem QSL. Während die Spinon-Teilchen den Spin getrennt tragen, tragen die Chargonen die elektrische Ladung getrennt.

“Außer-Körper-Erfahrung”

Die STM/STS-Bilder zeigten, dass die Chargonen an Ort und Stelle gefroren sind und eine sogenannte Stern-David-Ladungsdichtewelle bilden. Gleichzeitig haben die Spinonen eine „Außer-Körper-Erfahrung“, wenn sie sich von den Chargonen trennen und frei durch das Material bewegen.

“Dies ist ungewöhnlich, da in einem konventionellen Material Elektronen sowohl Spin als auch Ladung in einem Teilchen tragen, wenn sie sich bewegen”, sagte Crommie. “Sie brechen normalerweise nicht auf diese seltsame Weise auseinander.”

Crommie sagt auch, dass QSLs die Grundlage für robuste Quanten-Bits oder Qubits bilden könnten, die die fundamentalen Bausteine des Quantencomputing sind. Konventionelles Computing verwendet Bits, die Informationen als Null oder Eins codieren, aber Qubits können beide Werte gleichzeitig tragen. Dies führt zu viel schnelleren Berechnungen, und durch das Verständnis des Verhaltens von Spinonen und Chargonen in QSLs könnten Wissenschaftler dies nutzen, um das Next-Gen-Computing voranzutreiben.

Die Wissenschaftler sagen auch, dass durch das tieferes Verständnis von QSLs diese als Vorläufer für exotische Supraleitung dienen könnten, also wird Crommie die Vorhersage am ALS testen.

“Ein Teil der Schönheit dieses Themas ist, dass alle komplexen Wechselwirkungen innerhalb eines QSL irgendwie kombiniert werden, um ein einfaches Geister-Teilchen zu bilden, das einfach innerhalb des Kristalls herumspringt”, sagte er. “Das Verhalten zu sehen war ziemlich überraschend, besonders da wir nicht einmal danach suchten.”