Wetenschappers Stuiten op Nieuwe Vinding die Kwantumcomputing Kan Vooruit Helpen

Wetenschappers bij het DOE en Lawrence Berkeley National Laboratory hebben een onverwachte vinding gedaan die kan helpen bij het vooruitgang boeken van het veld van kwantumcomputers en hoge-temperatuursupergeleiders. Het team maakte de duidelijkste foto ooit van elektronische deeltjes die kwantumspin-vloeistof (QSL) vormen, een magnetische toestand waarover wetenschappers nog niet veel weten.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.

Het team was de eerste dat zo’n beeld vastlegde van hoe elektronen in een QSL uiteenvallen in spinonen, of spin-achtige deeltjes, en chargonen, lading-achtige deeltjes.

Mike Crommie is studieleider en senior faculteitswetenschapper bij Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en hoogleraar natuurkunde aan UC.

Sung-Kwan Mo is co-auteur en een stafwetenschapper bij Berkeley Lab’s Advanced Light Source.

“Spinonen zijn als spookdeeltjes. Ze zijn als het Big Foot van de kwantumfysica — mensen zeggen dat ze ze hebben gezien, maar het is moeilijk om te bewijzen dat ze bestaan”, zei Mo. “Met onze methode hebben we enig van de beste bewijzen tot nu toe geleverd.”

Spinonen Detecteren

Spinonen bewegen vrij rond terwijl ze warmte en spin in een QSL dragen. Echter, ze hebben geen elektrische lading. Onderzoekers hebben traditioneel gebruik gemaakt van technieken die warmtehandtekeningen zoeken om spinonen te detecteren.

Het team kon aantonen hoe spinonen in QSL’s gekarakteriseerd kunnen worden door rechtstreeks de manier te visualiseren waarop ze in een materiaal zijn verdeeld.

Het team begon het onderzoek door enkelvoudige lagen van tantaaldiselenide te kweken, drie atomen dik. Het materiaal behoort tot een klasse van materialen genaamd overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMDC’s), en dit was handig omdat het team experts zijn in moleculaire straal-epitaxie, een techniek voor het synthetiseren van atomaal dunne TMDC-kristallen uit hun constituerende elementen.

Het team karakteriseerde vervolgens de dunne films door middel van een techniek die gebruik maakt van röntgenstralen gegenereerd bij de ASL. Deze techniek heet hoek-geresolveerde foto-emissie-spectroscopie.

Een andere techniek genaamd scanning tunneling microscopy (STM) werd door onderzoekers in de Crommie-lab gebruikt om het tantaaldiselenide-TMDC-monster te injecteren met elektronen. Dit team omvatte co-first authors Wei Ruan, een postdoctoraal onderzoeker op het moment van het onderzoek, en Yi Chen, een UC Berkeley-promovendus op het moment.

De onderzoekers deden een onverwachte vinding na het verzamelen van beelden door middel van scanning tunneling spectroscopie (STS), een beeldvormingstechniek die meet hoe deeltjes zichzelf arrangeren op een bepaalde energie. Het team vond dat een laag van golven met golflengtes groter dan een nanometer de oppervlakte van het materiaal bedekte.

“De lange golflengtes die we zagen, kwamen niet overeen met enig bekend gedrag van de kristal”, zei Crommie. “We krabden onze hoofden voor een lange tijd. Wat kon zo’n lange golflengte-modulaties in de kristal veroorzaken? We hebben de conventionele verklaringen een voor een uitgesloten. We wisten niet dat dit het handteken was van spinon-spookdeeltjes.”

Na contact opgenomen te hebben met een theoretische medewerker bij MIT, vonden de onderzoekers dat wanneer een elektron in een QSL wordt geïnjecteerd vanuit de punt van een STM, het breekt uiteen in de QSL in twee delen. Deze twee delen zijn spinonen en chargonen, en dit is het resultaat van de manier waarop spin en lading in een QSL met elkaar interacteren. Terwijl de spinon-deeltjes de spin afzonderlijk dragen, dragen de chargonen afzonderlijk de elektrische lading.

“Buitenlichamelijke Ervaring”

De STM/STS-beelden toonden aan dat de chargonen op hun plaats bevriezen en een zogenaamde ster-van-David-ladingdichtheids-golf vormen. Tegelijkertijd hebben de spinonen een “buitenlichamelijke ervaring” wanneer ze zich scheiden van de chargonen en vrij door het materiaal bewegen.

“Dit is ongebruikelijk omdat in een conventioneel materiaal, elektronen zowel de spin als de lading combineren in één deeltje terwijl ze zich bewegen”, zei Crommie. “Ze breken normaal gesproken niet op deze vreemde manier uiteen.”

Crommie zegt ook dat QSL’s de basis kunnen vormen voor robuuste kwantumbits, of qubits, die de fundamentele bouwstenen zijn van kwantumcomputing. Conventionele computing steunt op een bit die informatie codeert als nul of één, maar qubits kunnen beide waarden tegelijk vasthouden. Dit resulteert in veel snellere berekeningen, en door het begrijpen van het gedrag van spinonen en chargonen in QSL’s, kunnen wetenschappers dit gebruiken om de volgende generatie computing vooruit te helpen.

De wetenschappers zeggen ook dat door dieper inzicht te krijgen in QSL’s, ze kunnen dienen als een voorloper voor exotische supergeleiding, dus Crommie zal de voorspelling testen bij de ALS.

“Een deel van de schoonheid van dit onderwerp is dat alle complexe interacties binnen een QSL op de een of andere manier combineren om een eenvoudig spookdeeltje te vormen dat gewoon rondspringt in de kristal”, zei hij. “Het zien van dit gedrag was vrij verrassend, vooral omdat we er niet eens naar op zoek waren.”