Znanstveniki naleteli na novo odkritje, ki bi lahko napredovalo kvantno računalništvo

Znanstveniki iz DOE in nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley so imeli nepričakovano ugotovitev, ki bi lahko pomagala napredovati na področju kvantnih računalnikov in visokotemperaturnih superprevodnikov. Ekipa je posnela najbolj jasno sliko elektronskih delcev, ki sestavljajo kvantno spinsko tekočino (QSL), ki je magnetno stanje, o katerem znanstveniki še vedno ne vedo preveč.

Raziskava je bila objavljena v reviji Naravna fizika.

Ekipa je bila prva, ki je posnela takšno sliko, kako se elektroni v QSL razgradijo v spinone ali spinu podobne delce in chargone, naboju podobne delce.

Mike Crommie je vodja študije in višji znanstvenik na fakulteti v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) in profesor fizike na UC. 

Sung-Kwan Mo je soavtor in zaposleni znanstvenik v laboratoriju Berkeley Lab Advanced Light Source.

»Spinoni so kot delci duhov. So kot Big Foot kvantne fizike – ljudje pravijo, da so jih videli, vendar je težko dokazati, da obstajajo,« je dejal Mo. »Z našo metodo smo zagotovili nekaj najboljših dokazov doslej.«

Odkrivanje spinonov

Spinoni se med prenašanjem toplote prosto gibljejo in vrtijo v QSL. Vendar pa nimajo električnega naboja. Raziskovalci so se tradicionalno zanašali na tehnike, ki iščejo toplotne znake, da bi odkrili spinone. 

Ekipa je lahko prikazala, kako označiti spinone v QSL-jih, tako da si je neposredno zamislila, kako so porazdeljeni v materialu.

Ekipa je začela študijo z gojenjem enoslojnih vzorcev tantalovega diselenida debeline treh atomov. Material spada v razred materialov, imenovanih dihalkogenidi prehodnih kovin (TMDC), in to je bilo koristno, saj je ekipa strokovnjaki za epitaksijo z molekularnim žarkom, ki je tehnika za sintezo atomsko tankih kristalov TMDC iz njihovih sestavnih elementov. 

Ekipa je nato označila tanke plasti s tehniko, ki uporablja rentgenske žarke, ustvarjene na ASL. Ta tehnika se imenuje fotoemisijska spektroskopija s kotno ločljivostjo. 

Drugo tehniko, imenovano skenirajoča tunelska mikroskopija (STM), so raziskovalci v laboratoriju Crommie uporabili za injiciranje vzorca tantalovega diselenida TMDC z elektroni. Ta ekipa je vključevala soavtorja Wei Ruan, podoktorski sodelavec v času raziskave, in Yi Chen, takratni podiplomski študent UC Berkeley.

Raziskovalci so prišli do nepričakovane ugotovitve po zbiranju slik s skeniranjem tunelske spektroskopije (STS), ki je tehnika slikanja, ki meri, kako se delci razporedijo pri določeni energiji. Ekipa je ugotovila, da je plast valov z valovno dolžino, večjo od enega nanometra, prekrila površino materiala.

"Dolge valovne dolžine, ki smo jih videli, niso ustrezale nobenemu znanemu obnašanju kristala," je dejal Crommie. »Dolgo smo si razbijali glave. Kaj bi lahko povzročilo modulacije tako dolgih valovnih dolžin v kristalu? Eno za drugo smo izločili konvencionalne razlage. Nismo vedeli, da je to podpis spinonskih delcev duhov.«

Raziskovalci so nato prišli do teoretičnega sodelavca na MIT in ugotovili, da ko se elektron vbrizga v QSL s konice STM, razpade znotraj QSL na dva dela. Ta dva dela sta spinona in chargona in sta posledica načina medsebojnega delovanja spina in naboja v QSL. Medtem ko spinonski delci prenašajo spin ločeno, nosijo chargoni ločeno električni naboj.

“Zunajtelesna izkušnja”

Slike STM/STS so pokazale, da chargoni zamrznejo na mestu in tvorijo, kar znanstveniki imenujejo val gostote naboja Davidove zvezde. Hkrati imajo spinoni "zunajtelesno izkušnjo", ko se ločijo od chargonov in se prosto gibljejo skozi material. 

"To je nenavadno, saj v običajnem materialu elektroni med premikanjem prenašajo tako vrtenje kot naboj, združena v en delec," je dejal Crommie. "Običajno se ne razpadejo na tako smešen način."

Crommie pravi tudi, da bi lahko QSL tvorili osnovo robustnih kvantnih bitov ali kubitov, ki so temeljni gradniki kvantnega računalništva. Običajno računalništvo se opira na bitne kodirane informacije kot nič ali ena, vendar lahko kubiti hranijo obe vrednosti hkrati. Posledica tega so veliko hitrejši izračuni in z razumevanjem obnašanja spinonov in chargonov v QSL-jih bi lahko znanstveniki to uporabili za napredek v računalništvu naslednje generacije. 

Znanstveniki prav tako pravijo, da bi lahko z globljim vpogledom v QSL delovali kot predhodnik eksotične superprevodnosti, zato bo Crommie preizkusil napoved na ALS. 

"Del lepote te teme je v tem, da se vse kompleksne interakcije znotraj QSL nekako združijo in tvorijo preprost delec duha, ki samo poskakuje po notranjosti kristala," je dejal. "To vedenje je bilo precej presenetljivo, še posebej, ker ga sploh nismo iskali."