Científicos tropiezan con un nuevo hallazgo que podría avanzar en la computación cuántica

Los científicos del DOE y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han tenido un hallazgo inesperado que podría ayudar a avanzar en el campo de los computadores cuánticos y superconductores de alta temperatura. El equipo tomó la imagen más clara hasta ahora de partículas electrónicas que componen el líquido de spin cuántico (QSL), que es un estado magnético que los científicos aún no conocen muy bien.

La investigación se publicó en la revista Nature Physics.

El equipo fue el primero en capturar una imagen de cómo los electrones en un QSL se descomponen en spinones, o partículas similares a spin, y cargones, partículas similares a carga.

Mike Crommie es el líder del estudio y científico senior en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor de física en la UC.

Sung-Kwan Mo es coautor y científico del personal en la Fuente de Luz Avanzada de Berkeley Lab.

“Los spinones son como partículas fantasma. Son como el Pie Grande de la física cuántica — la gente dice que los ha visto, pero es difícil probar que existen”, dijo Mo. “Con nuestro método hemos proporcionado algunas de las mejores pruebas hasta la fecha”.

Detectando Spinones

Los spinones se mueven libremente mientras llevan calor y spin en un QSL. Sin embargo, no tienen carga eléctrica. Los investigadores tradicionalmente han confiado en técnicas que buscan firmas de calor para detectar spinones.

El equipo pudo demostrar cómo caracterizar spinones en QSLs imaginando directamente la forma en que se distribuyen en un material.

El equipo comenzó el estudio creciendo muestras de tantalio diselenido de una capa única de tres átomos de grosor. El material pertenece a una clase de materiales llamados diclacogenuros de metal de transición (TMDC), y esto fue útil ya que el equipo son expertos en epitaxia de haz molecular, que es una técnica para sintetizar cristales de TMDC atómicamente delgados a partir de sus elementos constituyentes.

El equipo caracterizó las películas delgadas a través de una técnica que utiliza rayos X generados en la ASL. Esta técnica se llama espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo.

Otra técnica llamada microscopía de túnel de escaneo (STM) fue utilizada por los investigadores en el laboratorio de Crommie para inyectar la muestra de TMDC de tantalio diselenido con electrones. Este equipo incluyó a los coautores principales Wei Ruan, becario postdoctoral en el momento de la investigación, y Yi Chen, estudiante de posgrado de la UC Berkeley en el momento.

Los investigadores hicieron un hallazgo inesperado después de reunir imágenes mediante espectroscopía de túnel de escaneo (STS), que es una técnica de imagen que mide cómo se organizan las partículas a una energía particular. El equipo encontró que una capa de ondas con longitudes de onda mayores que un nanómetro cubría la superficie del material.

“Las longitudes de onda largas que vimos no correspondían a ningún comportamiento conocido del cristal”, dijo Crommie. “Nos rascamos la cabeza durante mucho tiempo. ¿Qué podría causar tales modulaciones de longitud de onda larga en el cristal? Descartamos las explicaciones convencionales una por una. No sabíamos que esta era la firma de partículas fantasma de spinones”.

Al comunicarse con un colaborador teórico en el MIT, los investigadores luego encontraron que cuando un electrón se inyecta en un QSL desde la punta de un STM, se descompone dentro del QSL en dos partes. Estas dos partes son spinones y cargones, y es el resultado de la forma en que el spin y la carga en un QSL interactúan entre sí. Mientras que las partículas de spinones llevan el spin por separado, los cargones llevan la carga eléctrica por separado.

“Experiencia fuera del cuerpo”

Las imágenes de STM/STS demostraron que los cargones se congelan en su lugar y forman lo que los científicos llaman una onda de densidad de carga de estrella de David. Al mismo tiempo, los spinones tienen una “experiencia fuera del cuerpo” cuando se separan de los cargones y se mueven libremente a través del material.

“Esto es inusual ya que en un material convencional, los electrones llevan tanto el spin como la carga combinados en una partícula mientras se mueven”, dijo Crommie. “No suelen descomponerse de esta manera divertida”.

Crommie también dice que los QSL podrían formar la base de bits cuánticos robustos, o qubits, que son los bloques de construcción fundamentales de la computación cuántica. La computación convencional se basa en un bit que codifica la información como cero o uno, pero los qubits pueden contener ambos valores al mismo tiempo. Esto resulta en cálculos mucho más rápidos, y al entender el comportamiento de los spinones y los cargones en los QSL, los científicos podrían utilizar esto para avanzar en la computación de próxima generación.

Los científicos también dicen que al obtener una comprensión más profunda de los QSL, podrían actuar como un precursor a la superconductividad exótica, por lo que Crommie probará la predicción en la ASL.

“Parte de la belleza de este tema es que todas las interacciones complejas dentro de un QSL se combinan de alguna manera para formar una simple partícula fantasma que simplemente rebota dentro del cristal”, dijo. “Ver este comportamiento fue bastante sorprendente, especialmente since no estábamos buscándolo”.