Naukowcy natknęli się na nowe odkrycie, które może przyczynić się do rozwoju komputingu kwantowego

Naukowcy z DOE i Lawrence Berkeley National Laboratory dokonali nieoczekiwanego odkrycia, które może pomóc w rozwoju komputingu kwantowego i nadprzewodników o wysokiej temperaturze. Zespół zrobił najwyraźniejsze zdjęcie cząstek elektronowych, które tworzą kwantowy płyn spinowy (QSL), który jest stanem magnetycznym, o którym naukowcy wciąż nie wiedzą zbyt wiele.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Physics.

Zespół jako pierwszy udało się sfotografować sposób, w jaki elektrony w QSL rozkładają się na spinony, czyli cząstki podobne do spinu, i chargony, czyli cząstki podobne do ładunku.

Mike Crommie jest liderem badania i starszym naukowcem w Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) oraz profesorem fizyki na UC.

Sung-Kwan Mo jest współautorem i naukowcem w Berkeley Lab’s Advanced Light Source.

“Spinony są jak cząstki duchowe. Są jak Wielka Stopa fizyki kwantowej – ludzie mówią, że je widzieli, ale trudno udowodnić, że istnieją”, powiedział Mo. “Nasza metoda dostarczyła jednych z najlepszych dowodów dotąd.”

Wykrywanie spinonów

Spinony swobodnie poruszają się, przenosząc ciepło i spin w QSL. Nie mają jednak ładunku elektrycznego. Naukowcy tradycyjnie polegali na technikach, które szukają sygnatur cieplnych, aby wykryć spinony.

Zespół był w stanie zademonstrować, jak można scharakteryzować spinony w QSL, bezpośrednio obrazując sposób, w jaki są one rozłożone w materiale.

Zespół rozpoczął badanie, hodując próbki jednowarstwowe tantal diselenku o grubości trzech atomów. Materiał należy do klasy materiałów zwanych dichalkogenkami metalu przejściowego (TMDC), co było pomocne, ponieważ zespół jest specjalistą w dziedzinie epitaksji wiązanej molekularnej, która jest techniką syntezowania atomowo cienkich kryształów TMDC z ich pierwotnych elementów.

Następnie zespół scharakteryzował cienkie filmy za pomocą techniki, która wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie generowane w ALS. Technika ta nazywa się spektroskopia fotoemisyjna z rozdzielczością kątową.

Inna technika, mikroskopia tunelowa (STM), została wykorzystana przez naukowców w laboratorium Crommie, aby wstrzyknąć elektrony do próbki tantal diselenku TMDC. W tym zespole znaleźli się współautorzy Wei Ruan, stażysta w czasie badań, i Yi Chen, student UC Berkeley w czasie badań.

Naukowcy dokonali nieoczekiwanego odkrycia po zebraniu obrazów za pomocą spektroskopiowania tunelowego (STS), które jest techniką obrazowania, mierzącą, jak cząstki układają się w określonej energii. Zespół odkrył, że warstwa fal o długościach większych niż jeden nanometr pokrywała powierzchnię materiału.

“Długie długości fal, które widzieliśmy, nie odpowiadały żadnemu znanemu zachowaniu się kryształu”, powiedział Crommie. “Długo się zastanawialiśmy. Co mogło spowodować takie długie modulacje falowe w kryształe? Wykluczyliśmy konwencjonalne wyjaśnienia jeden po drugim. Nie wiedzieliśmy, że to jest sygnatura cząstek duchowych spinonów.”

Wyszukując teoretycznego współpracownika w MIT, naukowcy odkryli, że gdy elektron jest wstrzyknięty do QSL z końcówki STM, rozkłada się wewnątrz QSL na dwie części. Te dwie części to spinony i chargony, co jest wynikiem sposobu, w jaki spin i ładunek w QSL oddziałują ze sobą. Podczas gdy cząstki spinonowe przenoszą spin oddzielnie, chargony oddzielnie przenoszą ładunek elektryczny.

“Doświadczenie poza ciałem”

Obrazy STM/STS wykazały, że chargony zamarzają w miejscu i tworzą coś, co naukowcy nazywają falą gęstości ładunku w kształcie gwiazdy Dawida. W tym samym czasie spinony mają „doświadczenie poza ciałem”, gdy oddzielają się od chargonów i swobodnie poruszają się w materiale.

“To jest niezwykłe, ponieważ w konwencjonalnym materiale elektrony przenoszą spin i ładunek połączone w jedną cząstkę, gdy poruszają się. Zwykle nie rozpadają się w taki zabawny sposób”, powiedział Crommie.

Crommie dodaje, że QSL może stanowić podstawę dla wytrzymałych bitów kwantowych, czyli qubitów, które są podstawowymi elementami komputingu kwantowego. Konwencjonalny komputer opiera się na bicie, które koduje informację jako zero lub jeden, ale qubity mogą przechowywać obie te wartości jednocześnie. To prowadzi do znacznie szybszych obliczeń, a zrozumienie zachowania spinonów i chargonów w QSL może pomóc w rozwoju następnej generacji komputingu.

Naukowcy twierdzą również, że zdobycie głębszej wiedzy na temat QSL może posłużyć jako prekursor do egzotycznej nadprzewodności, więc Crommie sprawdzi przewidywanie w ALS.

“Część uroku tego tematu polega na tym, że wszystkie złożone interakcje w QSL w jakiś sposób łączą się, tworząc proste cząstki duchowe, które po prostu odbijają się wewnątrz kryształu”, powiedział. “Widzenie tego zachowania było dość zaskakujące, zwłaszcza że nie szukaliśmy tego.”