Bilim İnsanları Kuantum Bilgisayarlarını İlerletebilecek Yeni Bir Keşifte Bulundular

DOE ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, kuantum bilgisayarları ve yüksek sıcaklık süper iletkenleri alanında ilerlemeye yardımcı olabilecek beklenmedik bir keşif yaptılar. Ekibin, bilim insanlarının hala çok fazla bilgi sahibi olmadığı manyetik bir durum olan kuantum spin sıvısı (QSL) olan elektronik parçacıkların en net resmini çekmeyi başardı.

Araştırma, Nature Physics dergisinde yayımlandı.

Ekibin, QSL’deki elektronların spinonlar veya spin benzeri parçacıklar ve chargonlar veya yük benzeri parçacıklar olarak nasıl ayrıştığını gösteren böyle bir görüntüyü yakalayan ilk kişiler olduğu belirtildi.

Mike Crommie, çalışmanın lideri ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda (Berkeley Lab) kıdemli öğretim üyesi ve UC’de fizik profesörü.

Sung-Kwan Mo, çalışmanın ortak yazarı ve Berkeley Lab’ın Advanced Light Source’ta bir personel bilim insanı.

“Spinonlar gibi hayalet parçacıklar. Kuantum fiziğinin Big Foot’u gibiler — insanlar onları gördüklerini söylüyorlar, ama var olduklarını kanıtlamak zor,” dedi Mo. “Yöntemimizle bugüne kadar en iyi kanıtlardan bazılarını sunduk.”

Spinonları Algılama

Spinonlar, QSL’de serbestçe hareket ederken ısı ve spin taşır, ancak elektriksel yükü yoktur. Araştırmacılar geleneksel olarak spinonları tespit etmek için ısı imzalarını arayan tekniklere güvenmektedir.

Ekibin, QSL’lerde spinonları doğrudan materyal içinde nasıl dağıldıklarını görüntüleyerek karakterize etmeyi başardığı belirtildi.

Ekibin, çalışmaya tantal diselenidin tek katmanlı örneklerini üç atom kalınlığında yetiştirerek başladı. Materyal, geçiş metal dikalkojenitler (TMDC’ler) olarak adlandırılan materyallerin bir sınıfına aittir ve bu, ekibin moleküler ışın epitaksisi konusunda uzman olması nedeniyle faydalı oldu; bu, atomik olarak ince TMDC kristallerini oluşturmak için bir tekniktir.

Ekibin, sonra ince filmleri, ASL’de üretilen X-ışınlarını kullanan bir teknik ile karakterize etti. Bu teknik, açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi olarak adlandırılmaktadır.

Araştırmacılar, Crommie laboratuvarında, tünel tarama mikroskobisi (STM) adlı bir başka tekniği kullanarak tantal diselenid TMDC örneğine elektron enjekte ettiler. Bu ekibin içinde, o sırada postdoc olan Wei Ruan ve o sırada UC Berkeley lisansüstü öğrencisi olan Yi Chen gibi ilk yazarlar yer aldı.

Araştırmacılar, tarama tünel spektroskobisi (STS) ile görüntüler topladıktan sonra, beklenmedik bir keşif yaptılar; bu, belirli bir enerjiye sahip parçacıkların nasıl düzenlendiğini ölçen bir görüntüleme tekniğidir. Ekibin, materyalin yüzeyini bir nanometreden daha büyük dalga boyları olan bir dalgalar tabakasının kapladığını buldu.

“Gördüğümüz uzun dalga boyları, kristalin bilinen herhangi bir davranışına karşılık gelmiyordu,” dedi Crommie. “Uzun süre kafamızı kaşıdık. Böyle uzun dalga boylu modülasyonlara neyin neden olabileceğini merak ettik. Geleneksel açıklamaları birer birer ruled out ettik. Spinon hayalet parçacıklarının imzası olduğunu bilmiyorduk.”

Araştırmacılar, daha sonra MIT’deki bir teorik işbirlikçiye ulaştılar ve bir STM’nin ucundan bir QSL’ye bir elektron enjekte edildiğinde, elektron QSL içinde iki parçaya ayrıştığını buldular. Bu parçalar spinonlar ve chargonlardı ve bu, QSL’de spin ve yükün birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğinin bir sonucuydu. Spinon parçacıkları ayrı ayrı spin taşıyordu, chargonlar ise ayrı ayrı elektriksel yük taşıyordu.

“Bedensiz Deneyim”

STM/STS görüntüleri, chargonların donup, bilim insanlarının “star-of-David charge-density-wave” olarak adlandırdığı bir şeyi oluşturduğunu gösterdi. Aynı zamanda, spinonların chargonlardan ayrıldıklarında ve materyal içinde serbestçe hareket ettiklerinde “bedensiz bir deneyim” yaşadıkları belirtildi.

“Bu alışılmadık bir durum, çünkü geleneksel bir materyalde, elektronlar spin ve yükü birleştirerek bir parçacık olarak hareket ederler. Genellikle bu şekilde ayrılmazlar,” dedi Crommie.

Crommie ayrıca, QSL’lerin dayanıklı kuantum bitleri veya kuantum bilgisayarlarının temel yapı taşları olabilecek kuantum bitlerinin temelini oluşturabileceğini söyledi. Geleneksel bilgisayarlar, bir bitin bilgiyi sıfır veya bir olarak kodlamasına dayanır, ancak kuantum bitleri bu değerlerin her ikisini aynı anda tutabilir. Bu, çok daha hızlı hesaplamalara yol açar ve QSL’lerde spinonlar ve chargonların davranışını anlayarak, bilim insanları bunu sonraki nesil bilgisayarları ilerletmek için kullanabilir.

Bilim insanları ayrıca, QSL’leri daha derinlemesine anlayarak, egzotik süper iletkenliğe bir ön adım olabileceğini söylüyorlar, bu nedenle Crommie, ALS’de bu tahmini test edecektir.

“Bu konunun güzelliği, bir QSL içindeki tüm kompleks etkileşimlerin bir şekilde birleşerek kristal içinde sadece zıplayan basit bir hayalet parçacık oluşturmasıdır,” dedi. “Bu davranışı görmek oldukça şaşırtıcıydı, özellikle de bunu aramıyorduk.”