वैज्ञानिकों ने क्वांटम कंप्यूटिंग को आगे बढ़ाने के लिए एक नए निष्कर्ष पर पहुंचे

डीओई और लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिकों ने एक अप्रत्याशित निष्कर्ष प्राप्त किया है जो क्वांटम कंप्यूटर और उच्च-तापमान सुपरकंडक्टरों के क्षेत्र में आगे बढ़ने में मदद कर सकता है। टीम ने क्वांटम स्पिन तरल (क्यूएसएल) के इलेक्ट्रॉनिक कणों की सबसे स्पष्ट तस्वीर ली है, जो एक चुंबकीय अवस्था है जिसके बारे में वैज्ञानिक अभी तक बहुत कुछ नहीं जानते हैं।

इस शोध को जर्नल नेचर फिजिक्स में प्रकाशित किया गया है।

टीम ने क्यूएसएल में इलेक्ट्रॉनों को स्पिनोन और चार्जोन में कैसे विभाजित किया जाता है, इसकी पहली बार तस्वीर ली है।

माइक क्रोमी लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी (बर्कले लैब) में अध्ययन के नेता और वरिष्ठ संकाय वैज्ञानिक हैं और यूसी में भौतिकी के प्रोफेसर हैं।

सुंग-क्वान मो बर्कले लैब के एडवांस्ड लाइट सोर्स में एक सहकर्मी और स्टाफ वैज्ञानिक हैं।

“स्पिनोन जैसे भूत कण होते हैं। वे क्वांटम भौतिकी के बिग फुट हैं – लोग कहते हैं कि उन्होंने उन्हें देखा है, लेकिन यह साबित करना मुश्किल है कि वे मौजूद हैं,” मो ने कहा। “हमारी विधि से हमने अब तक के सबसे अच्छे प्रमाण प्रदान किए हैं।”

स्पिनोन का पता लगाना

स्पिनोन एक क्यूएसएल में स्वतंत्र रूप से घूमते हुए गर्मी और स्पिन ले जाते हैं, लेकिन उनका कोई इलेक्ट्रिक चार्ज नहीं होता है। शोधकर्ताओं ने परंपरागत रूप से स्पिनोन का पता लगाने के लिए तकनीकों पर भरोसा किया है जो गर्मी के हस्ताक्षर की तलाश करते हैं।

टीम ने स्पिनोन को क्यूएसएल में सीधे उनके वितरण को देखकर वर्णित करने का तरीका प्रदर्शित किया।

टीम ने अध्ययन शुरू करने के लिए तीन-परमाणु-मोटे टैंटलम डिसेलेनाइड के एकल-परत नमूने उगाए। सामग्री संक्रमण धातु डाइकैल्कोजेनाइड्स (टीएमडीसी) नामक सामग्रियों के एक वर्ग से संबंधित है, और यह मददगार था क्योंकि टीम अणु-स्तर के टीएमडीसी क्रिस्टल को उनके घटक तत्वों से संश्लेषित करने की तकनीक में माहिर है।

टीम ने एएसएल में उत्पन्न एक्स-रे का उपयोग करके पतली फिल्मों को एक तकनीक के माध्यम से वर्णित किया। इस तकनीक को कोण-निर्धारित फोटो-उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी कहा जाता है।

क्रोमी लैब में शोधकर्ताओं ने स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी (एसटीएम) नामक एक अन्य तकनीक का उपयोग किया, जिसमें टैंटलम डिसेलेनाइड टीएमडीसी नमूने में इलेक्ट्रॉन इंजेक्ट किए गए। इस टीम में सह-पहले लेखक वेई रुआन, एक पोस्टडॉक्टरल फेलो शामिल थे, जो उस समय शोध कर रहे थे, और यी चेन, एक यूसी बर्कले स्नातक छात्र जो उस समय शोध कर रहे थे।

शोधकर्ताओं ने स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (एसटीएस) द्वारा छवियों को इकट्ठा करने के बाद एक अप्रत्याशित निष्कर्ष प्राप्त किया, जो एक इमेजिंग तकनीक है जो कणों को एक विशिष्ट ऊर्जा पर व्यवस्थित करने के तरीके को मापती है। टीम ने पाया कि सामग्री की सतह पर एक नैनोमीटर से अधिक तरंग दैर्ध्य की लहरें एक परत में ढकी हुई थीं।

“हमने जो लंबी तरंग देखी वह क्रिस्टल के किसी भी ज्ञात व्यवहार से मेल नहीं खाती,” क्रोमी ने कहा। “हमने लंबे समय तक अपना सिर खुजलाया। क्रिस्टल में इतनी लंबी तरंग दैर्ध्य की उतार-चढ़ाव क्या हो सकती है? हमने एक-एक करके पारंपरिक स्पष्टीकरणों को खारिज कर दिया। हमें पता नहीं था कि यह स्पिनोन भूत कणों का संकेत है।”

एमआईटी में एक सैद्धांतिक सहयोगी से संपर्क करने के बाद, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब एक इलेक्ट्रॉन को एसटीएम के सिरे से एक क्यूएसएल में इंजेक्ट किया जाता है, तो यह क्यूएसएल के अंदर दो भागों में टूट जाता है। ये दो भाग स्पिनोन और चार्जोन हैं, और यह क्यूएसएल में स्पिन और चार्ज के बीच परस्पर क्रिया के तरीके का परिणाम है। जबकि स्पिनोन कण स्पिन को अलग से ले जाते हैं, चार्जोन अलग से इलेक्ट्रिक चार्ज ले जाते हैं।

“बाहरी शरीर का अनुभव”

एसटीएम/एसटीएस छवियों ने दिखाया कि चार्जोन जम जाते हैं और एक तारा-डेविड चार्ज-घनत्व तरंग बनाते हैं। 同 समय, स्पिनोन चार्जोन से अलग होते हैं और सामग्री के माध्यम से स्वतंत्र रूप से चलते हैं।

“यह असामान्य है क्योंकि एक पारंपरिक सामग्री में, इलेक्ट्रॉन स्पिन और चार्ज दोनों को एक ही कण में मिलाकर ले जाते हैं,” क्रोमी ने कहा। “वे आमतौर पर इस तरह से अलग नहीं होते हैं।”

क्रोमी ने यह भी कहा कि क्यूएसएल क्वांटम बिट्स या क्यूबिट्स का आधार बन सकते हैं, जो क्वांटम कंप्यूटिंग के मूलभूत निर्माण खंड हैं। पारंपरिक कंप्यूटिंग शून्य या एक के रूप में जानकारी को एन्कोड करती है, लेकिन क्यूबिट दोनों मूल्यों को एक साथ धारण कर सकते हैं। इसके परिणामस्वरूप बहुत तेजी से गणना होती है, और क्यूएसएल में स्पिनोन और चार्जोन के व्यवहार को समझकर, वैज्ञानिक अगली पीढ़ी की कंप्यूटिंग को आगे बढ़ाने के लिए इसका उपयोग कर सकते हैं।

वैज्ञानिकों का यह भी कहना है कि क्यूएसएल के बारे में गहराई से जानने से वे विलक्षण सुपरकंडक्टिविटी का पूर्ववर्ती बन सकते हैं, इसलिए क्रोमी एएलएस में भविष्यवाणी का परीक्षण करेंगे।

“इस विषय की सुंदरता यह है कि क्यूएसएल के भीतर जटिल परस्पर क्रियाएं किसी तरह एक सरल भूत कण बनाने के लिए जुड़ती हैं जो क्रिस्टल के अंदर बस उछलता है,” उन्होंने कहा। “यह व्यवहार देखना बहुत आश्चर्यजनक था, खासकर जब हम इसकी तलाश ही नहीं कर रहे थे।”