Forskare Stöter På Ny Upptäckt Som Kan Framskrida Kvantberäkning

Forskare vid DOE och Lawrence Berkeley National Laboratory har gjort en oväntad upptäckt som kan hjälpa till att främja fältet för kvantberäkare och högtemperatursupraleiter. Teamet tog den tydligaste bilden hittills av elektroniska partiklar som utgör kvantspin-vätska (QSL), som är en magnetisk tillstånd som forskare fortfarande inte vet så mycket om.

Forskningen publicerades i tidskriften Nature Physics.

Teamet var de första att fånga en sådan bild av hur elektroner i en QSL bryts ned i spinoner, eller spinn-liknande partiklar, och chargoner, laddnings-liknande partiklar.

Mike Crommie är studieledare och senior fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och fysikprofessor vid UC.

Sung-Kwan Mo är medförfattare och en personalvetenskapsman vid Berkeley Labs Advanced Light Source.

“Spinoner är som spökkpartiklar. De är som Big Foot i kvantfysik — människor säger att de har sett dem, men det är svårt att bevisa att de existerar”, sa Mo. “Med vår metod har vi tillhandahållit några av de bästa bevisen hittills.”

Upptäckten Av Spinoner

Spinoner rör sig fritt medan de bär värme och spinn i en QSL. Men de har ingen elektrisk laddning. Forskare har traditionellt använt sig av tekniker som letar efter värme-signaturer för att upptäcka spinoner.

Teamet kunde demonstrera hur man kan karakterisera spinoner i QSL genom att direkt visualisera hur de fördelas i ett material.

Teamet började studien genom att odla enkelskiktprover av tantalumdiselenid tre atomer tjockt. Materialet tillhör en klass av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), och detta var användbart eftersom teamet är experter på molekylär strålepitaxi, som är en teknik för att syntetisera atomiskt tunna TMDC-kristaller från deras beståndsdelar.

Teamet karakteriserade sedan de tunna filmerna genom en teknik som använder röntgenstrålar som genereras vid ASL. Denna teknik kallas vinkel-upplöst fotoemissionsspektroskopi.

En annan teknik som kallas scanning tunnelmikroskopi (STM) användes av forskare i Crommies laboratorium för att injicera tantalumdiselenid TMDC-provet med elektroner. Detta team inkluderade medförfattarna Wei Ruan, en postdoktorand vid tidpunkten för forskningen, och Yi Chen, en UC Berkeley-student vid tidpunkten.

Forskarna gjorde en oväntad upptäckt efter att ha samlat in bilder genom scanning tunnel-spektroskopi (STS), som är en avbildningsteknik som mäter hur partiklar arrangerar sig vid en viss energi. Teamet fann att ett lager av vågor med våglängder större än en nanometer täckte materialets yta.

“De långa våglängderna vi såg motsvarade inte något känt beteende hos kristallen”, sa Crommie. “Vi kliade oss i huvudet under en lång tid. Vad kunde orsaka sådana långa våglängdsmoduleringar i kristallen? Vi uteslöt de konventionella förklaringarna en efter en. Vi visste inte att detta var signaturerna för spinon-spökkpartiklar.”

Genom att kontakta en teoretisk samarbetspartner vid MIT fann forskarna sedan att när en elektron injiceras i en QSL från spetsen av en STM, bryts den itu inuti QSL i två delar. Dessa två delar är spinoner och chargoner, och detta är ett resultat av hur spinn och laddning i en QSL interagerar med varandra. Medan spinon-partiklarna bär spinn separat, bär chargonerna den elektriska laddningen.

”Upplevelse Utanför Kroppen”

STM/STS-bilderna visade att chargonerna fryser på plats och bildar vad forskare kallar en stjärna av David-laddningstäthetsvåg. Samtidigt har spinonerna en ”upplevelse utanför kroppen” när de separeras från chargonerna och rör sig fritt genom materialet.

“Detta är ovanligt eftersom i ett konventionellt material bär elektroner både spinn och laddning kombinerat i en partikel när de rör sig omkring”, sa Crommie. “De bryts vanligtvis inte itu på detta sätt.”

Crommie säger också att QSL kan bilda grunden för robusta kvantbitar, eller qubit, som är de grundläggande byggstenarna i kvantberäkning. Konventionell beräkning förlitar sig på en bit som kodar information som noll eller ett, men qubit kan hålla båda värdena samtidigt. Detta resulterar i mycket snabbare beräkningar, och genom att förstå beteendet hos spinoner och chargoner i QSL, kan forskare använda detta för att främja nästa generations beräkning.

Forskarna säger också att genom att få en djupare insikt i QSL, kan de fungera som en föregångare till exotisk supraledning, så Crommie kommer att testa förutsägelsen vid ALS.

“En del av skönheten i detta ämne är att alla komplexa interaktioner inom en QSL på något sätt kombineras för att bilda en enkel spökkpartikel som bara studsar runt inuti kristallen”, sa han. “Att se detta beteende var ganska överraskande, särskilt eftersom vi inte ens letade efter det.”