Scienziati scoprono una nuova scoperta che potrebbe avanzare l’informatica quantistica

Gli scienziati del DOE e del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno fatto una scoperta inaspettata che potrebbe aiutare a fare progressi nel campo dei computer quantistici e dei superconduttori ad alta temperatura. Il team ha scattato la foto più chiara fino ad ora di particelle elettroniche che compongono un liquido spin quantistico (QSL), che è uno stato magnetico di cui gli scienziati non sanno ancora molto.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Physics.

Il team è stato il primo a catturare un’immagine del modo in cui gli elettroni in un QSL si decompongono in spinoni, o particelle simili a spin, e caroni, particelle simili a carica.

Mike Crommie è il capo della ricerca e scienziato senior al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professore di fisica alla UC.

Sung-Kwan Mo è coautore e scienziato dello staff al Berkeley Lab’s Advanced Light Source.

“Gli spinoni sono come particelle fantasma. Sono come il Big Foot della fisica quantistica — la gente dice di averli visti, ma è difficile dimostrare che esistono”, ha detto Mo. “Con il nostro metodo abbiamo fornito alcune delle migliori prove fino ad ora.”

Rilevamento degli spinoni

Gli spinoni si muovono liberamente mentre trasportano calore e spin in un QSL. Tuttavia, non hanno carica elettrica. I ricercatori hanno tradizionalmente fatto affidamento su tecniche che cercano firme di calore per rilevare gli spinoni.

Il team è stato in grado di dimostrare come caratterizzare gli spinoni nei QSL immaginando direttamente il modo in cui sono distribuiti in un materiale.

Il team ha iniziato lo studio crescendo campioni a strato singolo di tantalio diselenide spesso tre atomi. Il materiale appartiene a una classe di materiali chiamati dicalcogenuri di metallo di transizione (TMDC), e ciò è stato utile poiché il team è esperto in epitassia a fascio molecolare, che è una tecnica per sintetizzare cristalli di TMDC atomicamente sottili dai loro elementi costituenti.

Il team ha quindi caratterizzato i film sottili attraverso una tecnica che utilizza raggi X generati al ALS. Questa tecnica si chiama spettroscopia di fotoemissione angolo-risolta.

Un’altra tecnica chiamata microscopia a tunneling a scansione (STM) è stata utilizzata dai ricercatori nel laboratorio di Crommie per iniettare il campione di tantalio diselenide TMDC con elettroni. Quel team includeva i coautori principali Wei Ruan, un fellow post-dottorato al momento della ricerca, e Yi Chen, uno studente di laurea alla UC Berkeley al momento.

I ricercatori hanno fatto una scoperta inaspettata dopo aver raccolto immagini mediante spettroscopia di tunneling a scansione (STS), che è una tecnica di imaging che misura come le particelle si organizzano a una particolare energia. Il team ha trovato che uno strato di onde con lunghezze d’onda più grandi di un nanometro copriva la superficie del materiale.

“Le lunghezze d’onda che abbiamo visto non corrispondevano a nessun comportamento noto del cristallo”, ha detto Crommie. “Ci siamo grattati la testa per un lungo tempo. Cosa poteva causare tali lunghezze d’onda di modulazione nel cristallo? Abbiamo escluso le spiegazioni convenzionali una dopo l’altra. Non sapevamo che questo era il segno di particelle fantasma spinoniche.”

Rivolgendosi a un collaboratore teorico al MIT, i ricercatori hanno poi scoperto che quando un elettrone viene iniettato in un QSL dalla punta di uno STM, si rompe all’interno del QSL in due parti. Queste due parti sono spinoni e caroni, e ciò è il risultato del modo in cui spin e carica in un QSL interagiscono tra loro. Mentre le particelle spinoniche trasportano lo spin separatamente, i caroni portano separatamente la carica elettrica.

“Esperienza fuori dal corpo”

Le immagini STM/STS hanno dimostrato che i caroni si congelano in posizione e formano ciò che gli scienziati chiamano un’onda di densità di carica a stella di Davide. Allo stesso tempo, gli spinoni hanno un'”esperienza fuori dal corpo” quando si separano dai caroni e si muovono liberamente attraverso il materiale.

“Ciò è insolito poiché in un materiale convenzionale, gli elettroni trasportano sia lo spin che la carica combinati in una particella mentre si muovono”, ha detto Crommie. “Non si rompono normalmente in questo modo strano.”

Crommie afferma anche che i QSL potrebbero costituire la base di bit quantistici robusti, o qubit, che sono i blocchi costitutivi fondamentali dell’informatica quantistica. L’informatica convenzionale si basa su un bit che codifica le informazioni come zero o uno, ma i qubit possono contenere entrambi quei valori contemporaneamente. Ciò porta a calcoli molto più veloci, e comprendendo il comportamento degli spinoni e dei caroni nei QSL, gli scienziati potrebbero utilizzare ciò per avanzare il prossimo livello di calcolo.

Gli scienziati affermano anche che acquisendo una comprensione più profonda dei QSL, potrebbero agire come precursore della superconduttività esotica, quindi Crommie testerà la previsione al ALS.

“Parte della bellezza di questo argomento è che tutte le interazioni complesse all’interno di un QSL si combinano in qualche modo per formare una particella fantasma semplice che si limita a rimbalzare all’interno del cristallo”, ha detto. “Vedere questo comportamento è stato abbastanza sorprendente, soprattutto considerando che non stavamo cercando di farlo.”