Forskere Støter På Ny Oppdagelse Som Kan Fremme Kvantecomputing

Forskere ved DOE og Lawrence Berkeley National Laboratory har gjort en uventet oppdagelse som kan hjelpe med å fremme feltet kvantecomputere og høyt-temperatur-superledere. Teamet tok det klareste bildet hittil av elektroniske partikler som utgjør kvant-spin-væske (QSL), som er en magnetisk tilstand som forskerne ennå ikke vet mye om.

Forskningen ble publisert i tidsskriftet Nature Physics.

Teamet var de første som fanget et slikt bilde av hvordan elektroner i en QSL dekomponerer i spinoner, eller spin-lignende partikler, og chargoner, ladnings-lignende partikler.

Mike Crommie er studieleder og senior forsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og fysikkprofessor ved UC.

Sung-Kwan Mo er medforfatter og en stabsscientist ved Berkeley Labs Advanced Light Source.

“Spinoner er som spøkelsespartikler. De er som Big Foot i kvantefysikken — folk sier at de har sett dem, men det er vanskelig å bevise at de eksisterer,” sa Mo. “Med vår metode har vi gitt noen av de beste bevisene hittil.”

Deteksjon av Spinoner

Spinoner beveger seg fritt rundt mens de bærer varme og spin i en QSL. Imidlertid har de ingen elektrisk ladning. Forskere har tradisjonelt avhengig av teknikker som søker etter varmesignaturer for å detektere spinoner.

Teamet var i stand til å demonstrere hvordan man kan karakterisere spinoner i QSL-er ved å direkte visualisere hvordan de er fordelt i et materiale.

Teamet startet studien ved å dyrke enkelt-lag-prøver av tantalum-diselenid tre atomer tykt. Materialet tilhører en klasse av materialer kalt overgangsmetall-dikalkogenider (TMDC-er), og dette var nyttig siden teamet er eksperter i molekylær stråle-epitaksi, som er en teknikk for å syntetisere atomisk tykke TMDC-krystaller fra deres grunnleggende elementer.

Teamet karakteriserte deretter de tynne filmene gjennom en teknikk som bruker røntgenstråler generert ved ASL. Denne teknikken kalles vinkel-resolvert fotoemisjonsspektroskopi.

En annen teknikk kalt scanning tunnelmikroskopi (STM) ble brukt av forskerne i Crommie-laboratoriet til å injisere tantalum-diselenid TMDC-prøven med elektroner. Det inkluderte med-forfattere Wei Ruan, en postdoktorand på tidspunktet for forskningen, og Yi Chen, en UC Berkeley-student på tidspunktet.

Forskerne gjorde en uventet oppdagelse etter å ha samlet bilder ved å bruke scanning tunnel-spektroskopi (STS), som er en bildeteknikk som måler hvordan partikler arrangerer seg ved en bestemt energi. Teamet fant at et lag av bølger med bølgelengder større enn en nanometer dekket overflaten av materialet.

“De lange bølgelengdene vi så korresponderte ikke med noen kjent atferd av krystallen,” sa Crommie. “Vi rasket på hodet i lang tid. Hva kunne forårsake slike lange bølgelengder i krystallen? Vi forkastet de konvensjonelle forklaringene en etter en. Lite visste vi at dette var signalet fra spinon-spøkelsespartikler.”

Ved å kontakte en teoretisk samarbeidspartner ved MIT, fant forskerne deretter at når en elektron injiseres i en QSL fra spissen av en STM, bryter den fra hverandre inni QSL-en i to deler. Disse to delene er spinoner og chargoner, og det er et resultat av hvordan spin og ladning i en QSL samhandler med hverandre. Mens spinon-partiklene bærer spinnen separat, bærer chargonene den elektriske ladningen separat.

“Utenfor-kroppen-erfaring”

STM/STS-bildene viste at chargonene fryser på plass og danner hva forskerne kaller en stjerne-David-ladnings-tetthetsbølge. Samtidig har spinonene en “utenfor-kroppen-erfaring” når de skiller seg fra chargonene og beveger seg fritt gjennom materialet.

“Dette er uvanlig siden i et konvensjonelt materiale bærer elektroner både spin og ladning kombinert i én partikkel mens de beveger seg,” sa Crommie. “De bryter vanligvis ikke fra hverandre på denne måten.”

Crommie sier også at QSL-er kunne danne grunnlaget for robuste kvantebiter, eller q-biter, som er de grunnleggende byggesteinene i kvantecomputing. Konvensjonell computing avhenger av en bit som kodeinformasjon som null eller en, men q-biter kan holde både disse verdiene samtidig. Dette resulterer i mye raskere beregninger, og ved å forstå atferden til spinoner og chargoner i QSL-er, kunne forskerne bruke dette til å fremme neste-generasjons-computing.

Forskerne sier også at ved å få en dypere innsikt i QSL-er, kunne de fungere som en forløper til eksotisk superledning, så Crommie vil teste prediksjonen ved ALS.

“En del av skjønnheten i dette emnet er at alle de komplekse samhandlingene inni en QSL noenlunde kombinerer til å danne en enkel spøkelsespartikkel som bare hopper rundt inni krystallen,” sa han. “Å se denne atferden var ganske overraskende, spesielt siden vi ikke engang lette etter det.”