Wetenschappers Stuiten op Nieuwe Vinding die Quantum Computing Kan Verbeteren

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

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.

Het team was het eerste dat zo’n beeld maakte 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 professor in de 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 Big Foot in de quantumfysica — 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 het beste bewijs 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 technieken gebruikt die warmtehandtekeningen zoeken om spinonen te detecteren.

Het team kon aantonen hoe spinonen in QSL’s gekarakteriseerd konden worden door direct te visualiseren hoe ze in een materiaal zijn verdeeld.

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

Het team karakteriseerde de dunne films vervolgens met een techniek die röntgenstralen gegenereerd bij de ASL gebruikt. Deze techniek wordt angle-resolved photoemissie spectroscopie genoemd.

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

De onderzoekers deden een onverwachte vinding na het verzamelen van beelden door scanning tunneling spectroscopie (STS), een beeldvormingstechniek die meet hoe deeltjes zich op een bepaalde energie ordenen. Het team vond dat een laag van golven met golflengtes groter dan één nanometer het oppervlak 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 schrapten de conventionele verklaringen een voor een. Little did we know dat dit het handteken was van spinon-spookdeeltjes.”

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

“Buiten-Het-Lichaam-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 “buiten-het-lichaam-ervaring” wanneer ze zich van de chargonen scheiden 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 verplaatsen,” zei Crommie. “Ze breken niet gewoonlijk op deze manier uiteen.”

Crommie zegt ook dat QSL’s de basis kunnen vormen voor robuuste quantum-bits, of qubits, die de fundamentele bouwstenen van quantumcomputers zijn. Conventionele computing vertrouwt 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 te verbeteren.

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 best verrassend, vooral omdat we niet eens naar het op zoek waren.”