Ilmuwan Menemukan Temuan Baru yang Dapat Meningkatkan Komputasi Kuantum

Ilmuwan di DOE dan Lawrence Berkeley National Laboratory memiliki temuan yang tidak terduga yang dapat membantu meningkatkan bidang komputer kuantum dan superkonduktor suhu tinggi. Tim tersebut mengambil gambar terjelas yet dari partikel elektronik yang membentuk cairan spin kuantum (QSL), yang merupakan keadaan magnetik yang ilmuwan masih belum banyak tahu tentangnya.

Penelitian ini diterbitkan di jurnal Nature Physics.

Tim ini adalah yang pertama untuk mengambil gambar seperti itu dari bagaimana elektron di QSL terurai menjadi spinon, atau partikel seperti spin, dan chargon, partikel seperti muatan.

Mike Crommie adalah pemimpin studi dan ilmuwan senior di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dan profesor fisika di UC.

Sung-Kwan Mo adalah co-penulis dan ilmuwan staf di Advanced Light Source Berkeley Lab.

“Spinon seperti partikel hantu. Mereka seperti Big Foot fisika kuantum — orang mengatakan bahwa mereka telah melihatnya, tetapi sulit untuk membuktikan bahwa mereka ada,” kata Mo. “Dengan metode kami, kami telah memberikan beberapa bukti terbaik hingga saat ini.”

Mendeteksi Spinon

Spinon bergerak bebas sambil membawa panas dan spin di QSL. Namun, mereka tidak memiliki muatan listrik. Peneliti telah secara tradisional mengandalkan teknik yang mencari tanda panas untuk mendeteksi spinon.

Tim ini dapat menunjukkan bagaimana untuk mengkarakterisasi spinon di QSL dengan langsung mengambil gambar dari cara mereka didistribusikan di dalam bahan.

Tim ini memulai studi dengan menumbuhkan sampel lapis tunggal tantalum diselenida tiga-atom tebal. Bahan ini termasuk dalam kelas bahan yang disebut dichalkogenida logam transisi (TMDC), dan ini membantu karena tim adalah ahli dalam epitaksi molekuler, yang merupakan teknik untuk mensintesis kristal TMDC atomically tipis dari elemen-elemen penyusunnya.

Tim ini kemudian mengkarakterisasi film tipis melalui teknik yang menggunakan sinar-X yang dihasilkan di ASL. Teknik ini disebut spektroskopi fotoemisi terarah sudut.

Teknik lain yang disebut mikroskopi terowongan pemindaian (STM) digunakan oleh peneliti di laboratorium Crommie untuk menyuntikkan sampel TMDC tantalum diselenida dengan elektron. Tim ini termasuk co-penulis pertama Wei Ruan, seorang fellow postdoktor pada saat penelitian, dan Yi Chen, seorang mahasiswa pascasarjana UC Berkeley pada saat itu.

Peneliti membuat temuan yang tidak terduga setelah mengumpulkan gambar dengan spektroskopi terowongan pemindaian (STS), yang merupakan teknik pengambilan gambar yang mengukur bagaimana partikel mengatur diri mereka pada energi tertentu. Tim ini menemukan bahwa lapisan gelombang dengan panjang gelombang yang lebih besar dari satu nanometer menutupi permukaan bahan.

“Panjang gelombang yang kami lihat tidak sesuai dengan perilaku bahan yang diketahui,” kata Crommie. “Kami membingungkan kepala kami untuk waktu yang lama. Apa yang bisa menyebabkan modulasi panjang gelombang yang panjang di kristal? Kami menghilangkan penjelasan konvensional satu per satu. Tidak kami ketahui bahwa ini adalah tanda partikel hantu spinon.”

Dengan menghubungi kolaborator teoretis di MIT, peneliti kemudian menemukan bahwa ketika elektron disuntikkan ke QSL dari ujung STM, ia pecah menjadi dua bagian di dalam QSL. Dua bagian ini adalah spinon dan chargon, dan ini adalah hasil dari cara spin dan muatan di QSL berinteraksi dengan satu sama lain. Sementara partikel spinon membawa spin terpisah, chargon membawa muatan listrik terpisah.

“Pengalaman di Luar Tubuh”

Gambar STM/STS menunjukkan bahwa chargon membeku di tempat dan membentuk apa yang disebut gelombang muatan padat bintang-David. Pada saat yang sama, spinon memiliki “pengalaman di luar tubuh” ketika mereka terpisah dari chargon dan bergerak bebas melalui bahan.

“Ini tidak biasa karena di bahan konvensional, elektron membawa spin dan muatan yang digabungkan menjadi satu partikel ketika mereka bergerak,” kata Crommie. “Mereka tidak biasanya pecah dengan cara yang aneh seperti ini.”

Crommie juga mengatakan bahwa QSL dapat membentuk dasar untuk bit kuantum yang kuat, atau qubit, yang merupakan blok bangunan dasar komputasi kuantum. Komputasi konvensional bergantung pada bit yang mengkodekan informasi sebagai nol atau satu, tetapi qubit dapat memegang kedua nilai tersebut secara bersamaan. Ini menghasilkan perhitungan yang jauh lebih cepat, dan dengan memahami perilaku spinon dan chargon di QSL, ilmuwan dapat menggunakan ini untuk meningkatkan komputasi generasi berikutnya.

Ilmuwan juga mengatakan bahwa dengan memperoleh wawasan yang lebih dalam tentang QSL, mereka dapat bertindak sebagai pendahulu untuk superkonduktivitas eksotis, sehingga Crommie akan menguji prediksi di ALS.

“Bagian dari keindahan topik ini adalah bahwa semua interaksi kompleks di dalam QSL secara tidak sengaja menggabungkan untuk membentuk partikel hantu yang sederhana yang hanya bergetar di dalam kristal,” katanya. “Melihat perilaku ini cukup mengejutkan, terutama karena kami tidak mencarinya.”