Οι επιστήμονες ανακάλυψαν μια νέα εύρεση που μπορεί να προωθήσει την量子ική υπολογιστική

Οι επιστήμονες στο DOE και στο Lawrence Berkeley National Laboratory hatten μια απροσδόκητη εύρεση που μπορεί να βοηθήσει στην προώθηση του πεδίου των量子ικών υπολογιστών και των υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγών. Η ομάδα έλαβε την πιο καθαρή εικόνα μέχρι τώρα των ηλεκτρονικών σωματιδίων που αποτελούν την量子ική υγρή (QSL), η οποία είναι μια μαγνητική κατάσταση που οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη πολύ για αυτή.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics.

Η ομάδα ήταν η πρώτη που κατέγραψε μια τέτοια εικόνα του πώς τα ηλεκτρόνια σε μια QSL αποσυνθέτουν σε σπινόνα (spinons) και φορτίων (chargons).

Ο Mike Crommie είναι ο ηγέτης της μελέτης και ανώτερος επιστήμονας στο Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) και καθηγητής φυσικής στο UC.

Ο Sung-Kwan Mo είναι συν-συγγραφέας και επιστήμονας στο Berkeley Lab’s Advanced Light Source.

“Οι σπινόνοι είναι σαν φανταστικά σωματίδια. Είναι σαν το Big Foot της量子ικής φυσικής — οι άνθρωποι λένε ότι τους έχουν δει, αλλά είναι δύσκολο να αποδείξουν ότι υπάρχουν,” είπε ο Mo. “Με τη μέθοδο μας, παρείχαμε einige από τις καλύτερες αποδείξεις μέχρι τώρα.”

Ανίχνευση Σπινόων

Οι σπινόνοι κινούνται ελεύθερα ενώ μεταφέρουν θερμότητα και σπιν σε μια QSL. Ωστόσο, δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Οι ερευνητές έχουν παραδοσιακά βασιστεί σε τεχνικές που αναζητούν υπογραφές θερμότητας για να ανιχνεύσουν σπινόνα.

Η ομάδα ήταν σε θέση να δείξει πώς να χαρακτηρίσει σπινόνα σε QSLs με άμεση απεικόνιση του τρόπου με τον οποίο είναι κατανεμημένα σε ένα υλικό.

Η ομάδα ξεκίνησε τη μελέτη με την ανάπτυξη đơnών-στρωμάτων δειγμάτων του τανταλίου δισελενιού τρι-ατόμων. Το υλικό ανήκει σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται μεταλλικές διχαλκογονίδες (TMDCs), και αυτό ήταν χρήσιμο既然 η ομάδα είναι ειδικοί στην molecular beam epitaxy, η οποία είναι μια τεχνική για την σύνθεση ατομικά λεπτών TMDC κρυστάλλων από τα συστατικά τους στοιχεία.

Η ομάδα χαρακτήρισε τα λεπτά φιλμ μέσω μιας τεχνικής που χρησιμοποιεί ακτίνες Χ που παράγονται στο ASL. Αυτή η τεχνική ονομάζεται angle-resolved photoemission spectroscopy.

Μια άλλη τεχνική που ονομάζεται scanning tunneling microscopy (STM) χρησιμοποιήθηκε από ερευνητές στο Crommie lab για να ενject τον δείγμα του τανταλίου δισελενιού TMDC με ηλεκτρόνια. Αυτή η ομάδα περιελάμβανε τους συν-πρώτους συγγραφείς Wei Ruan, einem postdoctoral fellow την εποχή της έρευνας, και Yi Chen, einem UC Berkeley graduate student την εποχή της έρευνας.

Οι ερευνητές έκαναν μια απροσδόκητη εύρεση μετά τη συλλογή εικόνων με scanning tunneling spectroscopy (STS), η οποία είναι μια τεχνική απεικόνισης που μετράει πώς τα σωματίδια διατάσσονται σε μια συγκεκριμένη ενέργεια. Η ομάδα βρήκε ότι ένα στρώμα κυμάτων με μήκη κυμάτων μεγαλύτερα από ένα νανομέτρο καλύπτει την επιφάνεια του υλικού.

“Τα μεγάλα μήκη κυμάτων που είδαμε δεν ανταποκρίνονταν σε keine γνωστή συμπεριφορά του κρυστάλλου,” είπε ο Crommie. “Σκάρωνε τα κεφάλια μας για πολύ καιρό. Τι θα μπορούσε να προκαλέσει τέτοια μεγάλα μήκη κυμάτων στη κρυστάλλου; Καταργήσαμε τις συμβατικές εξηγήσεις μια προς μια. Δεν ήξερα ότι αυτό ήταν το σημάδι των φανταστικών σωματιδίων σπινόων.”

Επικοινωνώντας με einen θεωρητικό συνεργάτη στο MIT, οι ερευνητές βρήκαν ότι όταν ένα ηλεκτρόνιο ενjectεται σε μια QSL από την άκρη ενός STM, διασπάται μέσα στη QSL σε δύο μέρη. Αυτά τα δύο μέρη είναι σπινόνα και φορτίων, και είναι αποτέλεσμα του τρόπου με τον οποίο ο σπιν και το φορτίο σε μια QSL αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ενώ τα σωματίδια σπινόνα μεταφέρουν τον σπιν ξεχωριστά, τα φορτία φέρουν το ηλεκτρικό φορτίο ξεχωριστά.

“Εξωσωματική Εμπειρία”

Οι εικόνες STM/STS έδειξαν ότι τα φορτία παγώνουν στη θέση τους και σχηματίζουν αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν star-of-David charge-density-wave. Ταυτόχρονα, τα σπινόνα έχουν μια “εξωσωματική εμπειρία” όταν χωρίζουν από τα φορτία και κινούνται ελεύθερα μέσα στο υλικό.

“Αυτό είναι ασυνήθιστο既然 σε ένα συμβατικό υλικό, τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν και τον σπιν και το φορτίο μαζί σε ένα σωματίδιο καθώς κινούνται,” είπε ο Crommie. “Δεν συνήθως διασπάται σε αυτόν τον αστείο τρόπο.”

Ο Crommie λέει επίσης ότι οι QSLs θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για robust lượngικά bits, ή qubits, τα οποία είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της lượngικής υπολογιστικής. Η συμβατική υπολογιστική βασίζεται σε ένα bit που κωδικοποιεί πληροφορίες ως μηδέν ή ένα, αλλά τα qubits μπορούν να κρατήσουν και τις δύο τιμές ταυτόχρονα. Αυτό οδηγεί σε πολύ γρηγορότερες υπολογιστικές, και κατανοώντας τη συμπεριφορά των σπινόων και φορτίων στις QSLs, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να το χρησιμοποιήσουν για να προωθήσουν την επόμενη γενιά υπολογιστικών.

Οι επιστήμονες επίσης λένε ότι με την απόκτηση βαθύτερης κατανόησης των QSLs, θα μπορούσαν να ενεργούν ως πρόδρομος για εξωτικές υπεραγωγιμότητες, οπότε ο Crommie θα δοκιμάσει την πρόβλεψη στο ALS.

“Μέρος της ομορφιάς αυτού του θέματος είναι ότι όλες οι σύνθετες αλληλεπιδράσεις μέσα σε μια QSL συνδυάζονται κάποια στιγμή για να σχηματίσουν ένα απλό φανταστικό σωματίδιο που απλώς αναπηδά μέσα στο κρύσταλλο,” είπε. “Η觀察 αυτή της συμπεριφοράς ήταν assez आश्चηρή, ιδιαίτερα既然 δεν ψάχναμε καν για αυτό.”