Ученые наткнулись на новое открытие, которое может продвинуть квантовые вычисления

Ученые в DOE и Lawrence Berkeley National Laboratory сделали неожиданное открытие, которое может помочь продвинуть область квантовых компьютеров и высокотемпературных сверхпроводников. Команда сделала самое четкое изображение электронных частиц, составляющих квантовую спин-жидкость (QSL), которая является магнитным состоянием, о котором ученые еще не знают слишком много.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.

Команда была первой, кто смог запечатлеть такое изображение того, как электроны в QSL разлагаются на спиноны, или спиноподобные частицы, и чарджоны, зарядоподобные частицы.

Mike Crommie является лидером исследования и старшим научным сотрудником в Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) и профессором физики в UC.

Sung-Kwan Mo является соавтором и научным сотрудником в Advanced Light Source в Berkeley Lab.

“Спиноны похожи на призрачные частицы. Они похожи на Большого Foot квантовой физики — люди говорят, что они их видели, но трудно доказать, что они существуют”, сказал Mo. “С нашим методом мы предоставили некоторые из лучших доказательств на сегодняшний день.”

Обнаружение спинонов

Спиноны свободно движутся, несущие тепло и спин в QSL. Однако они не имеют электрического заряда. Исследователи традиционно полагались на методы, которые ищут тепловые сигнатуры, чтобы обнаружить спиноны.

Команда смогла продемонстрировать, как характеризовать спиноны в QSL,直接 изображая, как они распределены в материале.

Команда начала исследование, выращивая однослоные образцы тантала диселенида трехатомной толщины. Материал принадлежит к классу материалов, называемых переходными металлическими дихалькогенидами (TMDC), и это было полезно, поскольку команда являются экспертами в молекулярной лучевой эпитаксии, которая является методом синтеза атомно-тонких TMDC-кристаллов из их составных элементов.

Команда затем характеризовала тонкие пленки с помощью метода, который использует рентгеновские лучи, генерируемые в ASL. Этот метод называется угло-разрешенной фотоэмиссионной спектроскопией.

Другой метод, называемый сканирующей туннельной микроскопией (STM), был использован исследователями в лаборатории Crommie, чтобы ввести образец тантала диселенида TMDC с электронами. В эту команду входили соавторы Wei Ruan, постдокторант на момент исследования, и Yi Chen, аспирант UC Berkeley на момент исследования.

Исследователи сделали неожиданное открытие после сбора изображений с помощью сканирующей туннельной спектроскопии (STS), которая является методом измерения того, как частицы располагаются themselves при определенной энергии. Команда обнаружила, что слой волн с длинами волн больше одного нанометра покрыл поверхность материала.

“Длинные длины волн, которые мы увидели, не соответствовали никакому известному поведению кристалла”, сказал Crommie. “Мы почесали голову в течение долгого времени. Что могло вызвать такие длинные волны модуляций в кристалле? Мы исключили обычные объяснения один за другим. Маленько мы знали, что это было сигналом призрачных частиц спинонов.”

Обратившись к теоретическому сотруднику в MIT, исследователи затем обнаружили, что когда электрон вводится в QSL из кончика STM, он разлагается внутри QSL на две части. Эти две части являются спинонами и чарджонами, и это результат того, как спин и заряд в QSL взаимодействуют друг с другом. Пока спинонные частицы несут спин отдельно, чарджоны несут электрический заряд.

“Опыт вне тела”

Изображения STM/STS продемонстрировали, что чарджоны замораживаются на месте и образуют то, что ученые называют волной зарядовой плотности звезды Давида. В то же время спиноны имеют “опыт вне тела”, когда они отделяются от чарджонов и свободно движутся через материал.

“Это необычно, поскольку в обычном материале электроны несут и спин, и заряд, объединенные в одну частицу, когда они движутся”, сказал Crommie. “Они обычно не разлагаются таким странным образом.”

Crommie также говорит, что QSL может образовать основу для прочных квантовых битов, или кубитов, которые являются фундаментальными строительными блоками квантовых вычислений. Обычные вычисления полагаются на бит, кодирующий информацию как ноль или один, но кубиты могут содержать оба этих значения одновременно. Это приводит к намного более быстрым расчетам, и понимая поведение спинонов и чарджонов в QSL, ученые могли бы использовать это, чтобы продвинуть следующее поколение вычислений.

Ученые также говорят, что, получив более глубокое понимание QSL, они могли бы действовать как предшественник экзотической сверхпроводимости, поэтому Crommie проверит предсказание в ALS.

“Часть красоты этой темы заключается в том, что все сложные взаимодействия внутри QSL каким-то образом объединяются, чтобы образовать простую призрачную частицу, которая просто отскакивает внутри кристалла”, сказал он. “Увидеть такое поведение было довольно удивительно, особенно поскольку мы даже не искали его.”