Oamenii de știință descoperă o nouă constatare care ar putea avansa calcularea cuantică

Oamenii de știință de la DOE și Lawrence Berkeley National Laboratory au făcut o descoperire neașteptată care ar putea ajuta la avansarea domeniului calculatoarelor cuantice și a supraconductoarelor la temperaturi ridicate. Echipa a făcut cea mai clară imagine până acum a particulelor electronice care alcătuiesc lichidul cuantic spin (QSL), care este o stare magnetică despre care oamenii de știință nu știu prea multe.

Cercetarea a fost publicată în revista Nature Physics.

Echipa a fost prima care a capturat o astfel de imagine a modului în care electronii într-un QSL se descompun în spinoni, sau particule spin-like, și chargoni, particule cu sarcină.

Mike Crommie este liderul studiului și cercetător senior la Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) și profesor de fizică la UC.

Sung-Kwan Mo este coautor și cercetător la Advanced Light Source de la Berkeley Lab.

“Spinonii sunt ca niște particule fantomă. Sunt ca Big Foot-ul fizicii cuantice — oamenii spun că i-au văzut, dar este greu de dovedit că există”, a spus Mo. “Cu metoda noastră, am oferit unele dintre cele mai bune dovezi până în prezent.”

Detectarea Spinonilor

Spinonii se mișcă liber în timp ce transportă căldură și spin într-un QSL. Cu toate acestea, ei nu au nicio sarcină electrică. Cercetătorii au folosit în mod tradițional tehnici care caută semnături de căldură pentru a detecta spinonii.

Echipa a demonstrat cum să caracterizeze spinonii în QSL prin imaginarea directă a modului în care sunt distribuiți într-un material.

Echipa a început studiul prin creșterea de mostre de tantal diselenidă cu trei straturi de atomi. Materialul aparține unei clase de materiale numite diclacogenuri de metal de tranziție (TMDC), și acest lucru a fost util deoarece echipa era expertă în epitaxie moleculară cu fascicul, care este o tehnică pentru sintetizarea cristalelor TMDC atomice din elementele lor constitutive.

Echipa a caracterizat apoi filmele subțiri prin intermediul unei tehnici care utilizează raze X generate la ASL. Această tehnică se numește spectroscopie de fotoemisie cu rezoluție unghiulară.

O altă tehnică numită microscopie de tunelare a fost utilizată de cercetătorii de la laboratorul lui Crommie pentru a injecta electroni în mostrele de tantal diselenidă TMDC. Echipa a inclus coautorii Wei Ruan, un cercetător postdoctoral la momentul cercetării, și Yi Chen, un student absolvent la UC Berkeley la momentul cercetării.

Cercetătorii au făcut o descoperire neașteptată după ce au colectat imagini prin spectroscopie de tunelare (STS), care este o tehnică de imagine care măsoară modul în care particulele se aranjează la o anumită energie. Echipa a găsit că un strat de valuri cu lungimi de undă mai mari de un nanometru acoperea suprafața materialului.

“Lungimile de undă pe care le-am văzut nu corespundeau niciunui comportament cunoscut al cristalului”, a spus Crommie. “Ne-am scărpinat capul mult timp. Ce ar putea cauza astfel de modulații de lungime de undă în cristal? Am exclus explicațiile convenționale una câte una. Nu știam că acesta este semnalul particulelor fantomă spinon.”

Contactând un colaborator teoretic de la MIT, cercetătorii au descoperit apoi că atunci când un electron este injectat într-un QSL de la vârful unui STM, se descompune în interiorul QSL în două părți. Aceste două părți sunt spinoni și chargoni, și acest lucru este o consecință a modului în care spinul și sarcina într-un QSL interacționează una cu cealaltă. În timp ce particulele spinon poartă spinul separat, chargonii poartă sarcina electrică separat.

“Experiența din afara corpului”

Imaginile STM/STS au demonstrat că chargonii îngheață în loc și formează ceea ce oamenii de știință numesc o undă de densitate a sarcinii sub formă de stea a lui David. În același timp, spinonii au o “experiență din afara corpului” atunci când se separă de chargoni și se mișcă liber prin material.

“Acest lucru este neobișnuit, deoarece într-un material convențional, electronii poartă atât spinul, cât și sarcina combinată într-o singură particulă în timp ce se mișcă”, a spus Crommie. “Ei nu se descompun de obicei în acest mod ciudat.”

Crommie spune, de asemenea, că QSL-urile ar putea forma baza unor biți cuantici robusti, sau qubiți, care sunt blocurile de bază ale calculatoarelor cuantice. Calcularea convențională se bazează pe un bit care codifică informația ca zero sau unu, dar qubiții pot avea ambele valori simultan. Acest lucru duce la calcule mult mai rapide, și prin înțelegerea comportamentului spinonilor și chargonilor în QSL, oamenii de știință ar putea utiliza acest lucru pentru a avansa calcularea de ultimă generație.

Oamenii de știință spun, de asemenea, că prin obținerea unei înțelegeri mai profunde a QSL-urilor, acestea ar putea acționa ca precursor pentru supraconductivitate exotică, așa că Crommie va testa predicția la ALS.

“Parte din frumusețea acestui subiect este că toate interacțiunile complexe dintr-un QSL se combină într-o particulă fantomă simplă care se mișcă pur și simplu în interiorul cristalului”, a spus el. “A vedea acest comportament a fost destul de surprinzător, mai ales că nu căutam deloc asta.”