นักวิทยาศาสตร์พบการค้นพบใหม่ที่อาจช่วยพัฒนา Quantum Computing

นักวิทยาศาสตร์ที่ DOE และ Lawrence Berkeley National Laboratory มีการค้นพบอย่างไม่คาดคิดที่อาจช่วยพัฒนาในสาขาคอมพิวเตอร์ควอนตัมและซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่มีอุณหภูมิสูง ทีมงานได้ถ่ายภาพที่ชัดเจนที่สุดของอนุภาคอิเล็กตรอนที่ประกอบเป็นควอนตัมสปินลิควิด (QSL) ซึ่งเป็นสถานะแม่เหล็กที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจมากนัก

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Physics.

ทีมงานเป็นคนแรกที่สามารถถ่ายภาพได้ของวิธีการที่อิเล็กตรอนใน QSL แยกออกเป็นสปินอน (spinons) หรืออนุภาคที่คล้ายกับสปิน และชาร์จอน (chargons) หรืออนุภาคที่คล้ายกับชาร์จ

Mike Crommie เป็นหัวหน้าการศึกษาและนักวิทยาศาสตร์ระดับสูง tại Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) และเป็นศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ที่ UC

Sung-Kwan Mo เป็นร่วมผู้เขียนและนักวิทยาศาสตร์ประจำที่ Berkeley Lab’s Advanced Light Source

“สปินอนเป็นเหมือนอนุภาคภูติ พวกมันเหมือน Big Foot ของฟิสิกส์ควอนตัม — คนบอกว่าพวกเขาเห็นมัน แต่มันยากที่จะพิสูจน์ว่ามันอยู่จริง” Mo กล่าว “ด้วยวิธีการของเรา เราได้ให้หลักฐานที่ดีที่สุดจนถึงปัจจุบัน”

การตรวจจับสปินอน

สปินอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในขณะที่พาความร้อนและスピนใน QSL อย่างไรก็ตาม พวกมันไม่มีชาร์จไฟฟ้า นักวิจัยได้พึ่งพาเทคนิคที่มองหาสัญญาณความร้อนเพื่อตรวจจับสปินอน

ทีมงานสามารถแสดงวิธีการที่จะอธิบายสปินอนใน QSL ได้โดยการถ่ายภาพการกระจายตัวของสปินอนในสาร

ทีมงานเริ่มต้นการศึกษาโดยการเพาะชั้นเดียวของตัวอย่างทันตาลัมดิเซลีนิดที่มีความหนา 3 อะตอม วัสดุนี้เป็นหนึ่งในกลุ่มวัสดุเรียกว่าทรานซิชันเมทัลไดแคลโคเจนได (TMDCs) และทีมงานมีประสบการณ์ในการใช้เทคนิคการเพาะเลี้ยงโมเลกุลบีมเอพิทาซี (molecular beam epitaxy) เพื่อสร้างคริสตัล TMDC ที่มีความหนาเพียงอะตอม

ทีมงานจึงใช้เทคนิคที่เรียกว่าแองเกิล-เรโซลว์โดฟโตเอมิชันสเปกโทรสโกปี (angle-resolved photoemission spectroscopy) เพื่อศึกษาตัวอย่างที่มีความหนาเพียงอะตอม

เทคนิคอื่นที่เรียกว่าสแกนนิงทันเนลมाइकросโกปี (scanning tunneling microscopy) ถูกใช้โดยนักวิจัยในห้องปฏิบัติการของ Crommie เพื่อฉีดอิเล็กตรอนเข้าไปในตัวอย่างทันตาลัมดิเซลีนิด TMDC ทีมงานนี้รวมถึงผู้เขียนร่วมคนแรก Wei Ruan และ Yi Chen

นักวิจัยพบการค้นพบอย่างไม่คาดคิดหลังจากการเก็บภาพโดยใช้เทคนิคสแกนนิงทันเนลสเปกโทรสโกปี (scanning tunneling spectroscopy) ซึ่งเป็นเทคนิคที่วัดการกระจายตัวของอนุภาคที่ระดับพลังงานหนึ่งๆ ทีมงานพบว่ามีชั้นของคลื่นที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 1 นาโนเมตรที่ปกคลุมพื้นผิวของวัสดุ

“ความยาวคลื่นที่เราพบไม่สอดคล้องกับพฤติกรรมที่ทราบของคริสตัล” Crommie กล่าว “เราก็เลยพยายามคิดว่าอะไรที่อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคลื่นในคริสตัลนี้ เราได้ลองหาสาเหตุตามที่เรารู้จัก แต่สุดท้ายเราก็พบว่ามันเป็นสัญญาณของอนุภาคสปินอนภูติ”

หลังจากติดต่อกับหุ้นส่วนทางทฤษฎีที่ MIT นักวิจัยพบว่าเมื่ออิเล็กตรอนถูกฉีดเข้าไปใน QSL จากปลายสแกนนิงทันเนลมाइकросโกปี อิเล็กตรอนจะแตกออกเป็น 2 ส่วนใน QSL ส่วนเหล่านี้คือสปินอนและชาร์จอน ซึ่งเป็นผลมาจากการโต้ตอบระหว่างสปินและชาร์จใน QSL ในขณะที่สปินอนพาความสปินแยกออก ชาร์จอนพาชาร์จไฟฟ้าแยกออก

“ประสบการณ์นอกร่างกาย”

ภาพสแกนนิงทันเนล/สเปกโทรสโกปีแสดงให้เห็นว่าชาร์จอนจะหยุดนิ่งและก่อตัวเป็นคลื่นความหนาแน่นชาร์จที่เรียกว่า “ดาวของเดวิด” ในเวลาเดียวกัน สปินอนจะมี “ประสบการณ์นอกร่างกาย” เมื่อพวกมันแยกออกจากชาร์จอนและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในวัสดุ

“สิ่งนี้ไม่ปกติ เนื่องจากใน材料ปกติ อิเล็กตรอนจะพาความสปินและชาร์จไฟฟ้าไปด้วยกันในอนุภาคเดียวเมื่อเคลื่อนที่” Crommie กล่าว “พวกมันไม่เคยแยกออกจากกันในลักษณะนี้

Crommie ยังบอกอีกว่า QSL อาจเป็นพื้นฐานของไบต์ควอนตัม (qubits) ที่มีความแข็งแรง ซึ่งเป็นบล็อกสร้างของการคำนวณควอนตัม การคำนวณแบบดั้งเดิมพึ่งพาบิตที่เข้ารหัสข้อมูลเป็น 0 หรือ 1 แต่ไบต์ควอนตัมสามารถเก็บค่าเหล่านั้นได้ทั้งสองพร้อมกัน ซึ่งทำให้การคำนวณเร็วขึ้น และด้วยการเข้าใจพฤติกรรมของสปินอนและชาร์จอนใน QSL นักวิทยาศาสตร์อาจใช้สิ่งนี้เพื่อพัฒนาเครื่องคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นต่อไป

นักวิทยาศาสตร์ยังบอกอีกว่าด้วยการเข้าใจ QSL ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น พวกเขาอาจเป็นจุดเริ่มต้นของซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่แปลกใหม่ ดังนั้น Crommie จะทดสอบการคาดการณ์ที่ ALS

“ส่วนหนึ่งของความสวยงามของหัวข้อนี้คือทั้งปฏิกิริยาที่ซับซ้อนภายใน QSL จะรวมกันเพื่อสร้างอนุภาคภูติที่ง่ายๆ ที่เด้งไปมาภายในคริสตัล” เขากล่าว “การเห็นพฤติกรรมนี้เป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากเราไม่ได้ค้นหาสิ่งนี้เลย”