科学者が量子コンピューティングを進化させる新しい発見に偶然に遭遇

アメリカ合衆国エネルギー省とローレンス・バークレー国立研究所の科学者たちは、量子コンピュータと高温超伝導体の分野を進化させる可能性のある予期せぬ発見をした。チームは、量子スピン液体（QSL）と呼ばれる磁気状態を構成する電子粒子の最も明確な画像を撮影した。これは、科学者たちがまだあまり知らない分野である。

この研究は、Nature Physics誌に掲載された。

チームは、QSLの中で電子がスピノン（スピンに似た粒子）とチャージョン（電荷に似た粒子）に分解する様子を初めて撮影した。

マイク・クロミーは、ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の研究リーダーであり、カリフォルニア大学の物理学教授である。

ソン・グァン・モは、バークレー研究所の先端光源のスタッフ・サイエンティストであり、共同著者である。

「スピノンは、ゴースト・パーティクルのようなものだ。量子物理学におけるビッグフットのようなもので、人々はそれを見たと言うが、存在を証明するのは難しい」とモは言った。「私たちの方法で、現在までで最も良質な証拠を提供した」。

スピノンの検出

スピノンは、QSLの中で自由に動き回り、熱とスピンを運ぶ。しかし、それらは電気的電荷を持たない。研究者たちは従来、スピノンを検出するために、熱のシグネチャーを探す手法に頼ってきた。

チームは、スピノンを直接イメージ化することで、QSLの中でのその分布を特性付ける方法を実証した。

チームは、タンタルム・ジセレン化物の単層サンプルを3原子分の厚さで作成し始めた。この材料は、遷移金属二カルコゲナイド（TMDCs）と呼ばれる材料のクラスに属し、チームは分子ビームエピタキシーと呼ばれる、TMDC結晶をその構成元素から合成する技術の専門家であった。

チームは、ASLで生成されたX線を使用する角度分解光電子分光法と呼ばれる技術で、薄膜を特性付けた。

クロミーの研究所の研究者たちは、スキャニング・トンネル・顕微鏡（STM）と呼ばれる別の技術を使用して、タンタルム・ジセレン化物のTMDCサンプルに電子を注入した。このチームには、当時の研究期間中のポスドク・フェローであるウェイ・ルアンと、当時のUCバークレーの大学院生であるイー・チェンが含まれた。

研究者たちは、スキャニング・トンネル・分光法（STS）と呼ばれるイメージング技術を使用して、特定のエネルギーでの粒子の配置を測定した後、予期せぬ発見をした。チームは、1ナノメートルよりも長い波長を持つ波の層が材料の表面を覆っていることを発見した。

「私たちが見た長い波長は、結晶の既知の挙動に一致しなかった」とクロミーは言った。「私たちは長い間首をひねった。結晶の中でそんな長い波長の変調を引き起こすものは何だろう？私たちは従来の説明を一つ一つ排除した。スピノンのゴースト・パーティクルのシグネチャーであることを知らずに」。

MITの理論的共同研究者に連絡した後、研究者たちは、STMの先端からQSLに電子を注入すると、内部でスピノンとチャージョンの2つの部分に分裂することを発見した。これは、QSLの中でのスピンと電荷の相互作用の結果である。スピノンはスピンを個別に運び、チャージョンは電気的電荷を個別に運ぶ。

「体外離脱体験」

STM/STS画像は、チャージョンが固定されて星のダビデの電荷密度波を形成することを示した。一方、スピノンはチャージョンから離れて自由に動き回る。「体外離脱体験」と呼ばれるこの現象は、従来の材料では電子がスピンと電荷を1つの粒子にまとめて運ぶのに対し、スピノンとチャージョンが分離するという点で異なる。

「これは通常ではありません。従来の材料では、電子はスピンと電荷を1つの粒子にまとめて運ぶものです。通常、こんなふうに分離することはありません」とクロミーは言った。

クロミーはまた、QSLは強固な量子ビット、またはキュビットの基礎となる可能性があると述べた。従来のコンピューティングは、ビットが情報を0または1として符号化するのに対し、キュビットは同時に両方の値を保持できる。結果として、計算ははるかに高速になる。スピノンとチャージョンの挙動を理解することで、科学者たちは次世代のコンピューティングを進化させることができる。

科学者たちは、QSLをより深く理解することで、エキゾチック超伝導体の基礎となる可能性もあると述べた。クロミーは、ALSで予測をテストする予定である。

「このトピックの美しさの1つは、QSL内の複雑な相互作用が何らかの方法で結合して、単純なゴースト・パーティクルを形成し、それが結晶の中で単純に跳ね回るという点にある」と彼は言った。「この挙動を見たことは驚くべきものだった。特に、探していたわけではなかったからだ」。