Tutkijat löysivät uuden löydön, joka voi edistää kvanttilaskentaa

DOE:n ja Lawrence Berkeley National Laboratoryn tutkijat tekivät odottamattoman löydön, joka voi auttaa edistämään kvanttitietokoneiden ja korkean lämpötilan suprajohtimien tutkimusta. Tutkijaryhmä otti selkeimmän kuvan siihen asti kvantti-kiertovesiliuoksen (QSL) sähköisistä hiukkasista, joista tutkijat vielä tietävät vain vähän.

Tutkimus julkaistiin Nature Physics -lehdessä.

Tutkijaryhmä oli ensimmäinen, joka sai kuvan siitä, miten QSL:n elektronit hajoavat spinoneiksi (spin-tyyppisiksi hiukkasiksi) ja chargoneiksi (varaus-tyyppisiksi hiukkasiksi).

Mike Crommie on tutkimuksen johtaja ja vanhempi tutkija Berkeley Labissa ja fysiikan professori UC:ssa.

Sung-Kwan Mo on yksi tutkimuksen tekijöistä ja tutkija Berkeley Labin Advanced Light Source -yksikössä.

“Spinonit ovat kuin haamuhdukkaat. Ne ovat kuin kvanttifysiikan Big Foot – ne ovat näkymättömiä, mutta ihmisten on sanottu nähneen niitä, mutta on vaikea todistaa, että ne ovat olemassa”, Mo sanoi. “Menetelmällämme olemme antaneet yhden parhaista todisteista tähän asti.”

Spinonien havaitseminen

Spinonit liikkuvat vapaasti ja kantavat lämpöä ja spin-impulssia QSL:ssa. Niillä ei kuitenkaan ole sähkövarausta. Tutkijat ovat perinteisesti käyttäneet menetelmiä, jotka etsivät lämmönjälkiä spinonien havaitsemiseksi.

Tutkijaryhmä pystyi osoittamaan, miten spinonit voidaan karakterisoida QSL:ssa suoraan kuvamalla niiden jakautumista aineessa.

Tutkijat alkoivat tutkimuksensa kasvattamalla yksikerroksisia tantalumdiselenidi-näytteitä, jotka olivat kolme atomia paksuja. Materiaali kuuluu siirtymämetallidikalkogeenien luokkaan, ja tämä oli hyödyllistä, koska tutkijat ovat asiantuntijoita molekyylisäde-epitaksiaa, joka on menetelmä atomisti ohuiden TMDC-kristallien syntetisointiin niiden perusalkuuaineista.

Tutkijat karakterisoivat ohuet kalvot tekniikalla, jossa käytetään ASL:ssa tuotettuja röntgensäteitä. Tämä menetelmä on kulmaresoluutioinen fotoemissiospektroskopia.

Crommien laboratoriossa tutkijat käyttivät toista menetelmää, jota kutsutaan tunneloitumiskirkkausspektroskopiaksi (STM), jolla tutkittiin tantalumdiselenidi-näytettä. Tutkijaryhmään kuuluivat myös ensimmäiset tekijät Wei Ruan, joka oli post doc -tutkija tutkimuksen aikana, ja Yi Chen, joka oli UC Berkeleyn opiskelija tutkimuksen aikana.

Tutkijat tekivät odottamattoman löydön kerätessään kuvia skannaavalla tunneloitumisspektroskopialla (STS), joka on kuvausmenetelmä, joka mitataan, miten hiukkaset järjestäytyvät tietyssä energiassa. Tutkijat löysivät, että aallonpituus, joka oli yli yksi nanometri, peitti materiaalin pinnan.

“Pitkät aallonpituudet, joita näimme, eivät vastanneet mitään tunnettua kristallin käyttäytymistä”, Crommie sanoi. “Me olimme päänvaivassa pitkään. Mitä voisi aiheuttaa näin pitkiä aallonpituuksia kristallissa? Me poistimme perinteiset selitykset yksi toisensa jälkeen. Vähän tiesimme, että tämä oli spinonien haamuhdukkaiden signaali.”

Osoittamalla teoreettiseen yhteistyökumppaniin MIT:ssa, tutkijat havaitsivat, että kun elektronista ruiskutetaan QSL:ään STM:n kärjestä, se hajoaa QSL:ssa kahteen osaan. Nämä kaksi osaa ovat spinonit ja chargonit, ja se on seurausta siitä, miten spin ja varaus vuorovaikuttavat toisiinsa QSL:ssa. Kun spinonit kantavat spin-impulssia erikseen, chargonit kantavat sähkövarausta erikseen.

“Ulkoinen kokemus”

STM/STS -kuvat osoittivat, että chargonit jäävät paikoilleen ja muodostavat niin kutsutun David-tähden varaus-tiheysaallon. Samaan aikaan spinonit kokevat “ulkoisen kokemuksen”, kun ne erottuvat chargoneista ja liikkuvat vapaasti aineessa.

“Tämä on epätavallista, koska perinteisessä aineessa elektronit kantavat sekä spin-impulssia että sähkövarausta yhdistettynä yhteen hiukkaseen, kun ne liikkuvat”, Crommie sanoi. “Ne eivät yleensä hajoa tällä tavalla.”

Crommie sanoo myös, että QSL:t voivat muodostaa kestävien kvantibittien (qubittien) perustan, jotka ovat kvanttilaskennan perusrakennuspalikat. Perinteinen laskenta perustuu bittiin, joka koodaa tiedon nollaksi tai ykköseksi, mutta qubitit voivat sisältää molemmat arvot samanaikaisesti. Tämä johtaa paljon nopeampiin laskelmiin, ja ymmärtämällä spinonien ja chargonien käyttäytymistä QSL:ssa, tutkijat voivat käyttää tätä tietoa seuraavan sukupolven laskennan kehittämiseen.

Tutkijat sanovat myös, että saamalla syvemmän ymmärryksen QSL:stä, ne voivat toimia esimerkkinä eksoottiselle suprajohtavuudelle, joten Crommie testaa ennustetta ALS:ssa.

“Tämän aiheen kauneus on, että kaikki QSL:n monimutkaiset vuorovaikutukset yhdistyvät yksinkertaiseksi haamuhdukkaiseksi, joka vain pomppii aineen sisällä”, hän sanoi. “Nähdä tämä käyttäytyminen oli yllättävää, etenkin koska emme etsineet sitä.”