Cientistas Descobrem Nova Descoberta que Pode Avançar a Computação Quântica

Cientistas do DOE e do Laboratório Nacional de Berkeley fizeram uma descoberta inesperada que pode ajudar a avançar o campo dos computadores quânticos e supercondutores de alta temperatura. A equipe tirou a foto mais clara até agora de partículas eletrônicas que compõem o líquido quântico de spin (QSL), que é um estado magnético que os cientistas ainda não conhecem muito bem.

A pesquisa foi publicada na revista Nature Physics.

A equipe foi a primeira a capturar uma imagem dessas de como os elétrons em um QSL se decompõem em spinons, ou partículas semelhantes a spin, e chargons, partículas semelhantes a carga.

Mike Crommie é o líder do estudo e cientista sênior do Laboratório Nacional de Berkeley (Berkeley Lab) e professor de física da UC.

Sung-Kwan Mo é coautor e cientista do staff do Advanced Light Source do Berkeley Lab.

“Spinons são como partículas fantasma. Eles são como o Pé Grande da física quântica — as pessoas dizem que os viram, mas é difícil provar que existem”, disse Mo. “Com nosso método, fornecemos algumas das melhores evidências até agora.”

Detectando Spinons

Spinons se movem livremente enquanto transportam calor e spin em um QSL. No entanto, eles não têm carga elétrica. Os pesquisadores tradicionalmente confiaram em técnicas que procuram assinaturas de calor para detectar spinons.

A equipe conseguiu demonstrar como caracterizar spinons em QSLs imaginando diretamente a forma como eles são distribuídos em um material.

A equipe começou o estudo crescendo amostras de tantalato de disselênio de uma camada, três átomos de espessura. O material pertence a uma classe de materiais chamados dicalcogenetos de metal de transição (TMDCs), e isso foi útil, pois a equipe é especializada em epitaxia de feixe molecular, que é uma técnica para sintetizar cristais de TMDCs atômicos a partir de seus elementos constituintes.

A equipe caracterizou os filmes finos por meio de uma técnica que usa raios-X gerados no ASL. Essa técnica é chamada de espectroscopia de fotoemissão angular resolvida.

Outra técnica chamada microscopia de túnel de varredura (STM) foi usada por pesquisadores no laboratório de Crommie para injetar elétrons na amostra de TMDC de tantalato de disselênio. Essa equipe incluía os coautores Wei Ruan, um bolsista de pós-doutorado na época da pesquisa, e Yi Chen, um estudante de graduação da UC Berkeley na época.

Os pesquisadores fizeram uma descoberta inesperada após coletar imagens por espectroscopia de túnel de varredura (STS), que é uma técnica de imagem que mede como as partículas se arranjam em uma energia particular. A equipe encontrou que uma camada de ondas com comprimentos de onda maiores que um nanômetro cobria a superfície do material.

“Os longos comprimentos de onda que vimos não correspondiam a nenhum comportamento conhecido do cristal”, disse Crommie. “Nós nos coçamos a cabeça por um longo tempo. O que poderia causar tais modulações de longo comprimento de onda no cristal? Nós descartamos as explicações convencionais uma a uma. Não sabíamos que isso era a assinatura de partículas fantasma de spinons.”

Entrando em contato com um colaborador teórico do MIT, os pesquisadores descobriram que, quando um elétron é injetado em um QSL a partir da ponta de um STM, ele se divide em duas partes dentro do QSL. Essas duas partes são spinons e chargons, e é um resultado da forma como o spin e a carga em um QSL interagem entre si. Enquanto as partículas de spinon transportam o spin separadamente, os chargons transportam a carga elétrica separadamente.

“Experiência Fora do Corpo”

As imagens de STM/STS demonstraram que os chargons congelam no lugar e formam o que os cientistas chamam de onda de densidade de carga de estrela de Davi. Ao mesmo tempo, os spinons têm uma “experiência fora do corpo” quando se separam dos chargons e se movem livremente pelo material.

“Isso é incomum, pois em um material convencional, os elétrons transportam tanto o spin quanto a carga combinados em uma partícula à medida que se movem”, disse Crommie. “Eles normalmente não se separam dessa forma engraçada.”

Crommie também afirma que os QSLs podem formar a base de bits quânticos robustos, ou qubits, que são os blocos de construção fundamentais da computação quântica. A computação convencional depende de um bit que codifica informações como zero ou um, mas os qubits podem conter ambos os valores simultaneamente. Isso resulta em cálculos muito mais rápidos, e entendendo o comportamento dos spinons e chargons em QSLs, os cientistas podem usar isso para avançar a computação de próxima geração.

Os cientistas também dizem que, ao obter uma visão mais profunda dos QSLs, eles podem atuar como um precursor para a supercondutividade exótica, então Crommie testará a previsão no ALS.

“Parte da beleza desse tópico é que todas as interações complexas dentro de um QSL se combinam para formar uma partícula fantasma simples que apenas salta dentro do cristal”, disse ele. “Ver esse comportamento foi bastante surpreendente, especialmente porque não estávamos procurando por isso.”