Bilim İnsanları Kuantum Bilgisayarlarını İlerletmeye Yarayabilecek Yeni Bir Keşifte Bulundular

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

Araştırma, Nature Physics dergisinde yayımlandı.

Ekibin QSL’de spinonlar ve chargonlar olarak adlandırılan parçacıklara ayrışan elektronların resmini çekmesi, bu alanda ilk kez gerçekleştirilen bir başarıydı.

Mike Crommie, Berkeley Lab’de kıdemli öğretim görevlisi ve UC’de fizik profesörüdür.

Sung-Kwan Mo, Berkeley Lab’ın Gelişmiş Işık Kaynağı’nda çalışan bir bilim insanı ve çalışmanın ortak yazarıdır.

“Spinonlar gibi hayalet parçacıklardır. Onlar, kuantum fiziğinin Big Foot’u gibidir – insanlar onları gördüklerini söylüyorlar, ancak var olduklarını kanıtlamak zor,” dedi Mo. “Yöntemimiz, bugüne kadar elde edilen en iyi kanıtları sağladı.”

Spinonları Tespit Etme

Spinonlar, QSL içinde serbestçe hareket ederken ısı ve spin taşırlar, ancak elektriksel yükleri yoktur. Araştırmacılar geleneksel olarak spinonları tespit etmek için ısı imzalarını arayan tekniklere güvenmektedirler.

Ekibin QSL’lerde spinonları doğrudan görüntüleyerek karakterize etmeyi başardığı görüldü.

Çalışma, tek katmanlı tantalum diselenid örneklerinin üç atom kalınlığında yetiştirilmesiyle başladı. Materyal, geçiş metal dikalkojenit (TMDC) olarak adlandırılan malzemelerin bir sınıfına aittir ve bu, ekibin moleküler ışın epitaksisi konusunda uzman olmasına yardımcı oldu.

Ekibin daha sonra, ASL’de üretilen X-ışınlarını kullanan bir teknik olan açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi ile ince filmleri karakterize ettiği görüldü.

Crommie laboratuvarındaki araştırmacılar, tünel tarama mikroskobisi (STM) adlı bir teknik kullanarak, tantalum diselenid TMDC örneğine elektron enjekte ettiler. Bu ekibe, o sırada postdoc olan Wei Ruan ve o sırada UC Berkeley’de lisansüstü öğrenci olan Yi Chen de dahildir.

Araştırmacılar, tarama tünel spektroskobisi (STS) adlı bir görüntüleme tekniği kullanarak elde ettikleri görüntülerde, malzemenin yüzeyini kaplayan bir dalgalar tabakası buldular.

“Gördüğümüz uzun dalga boyları, kristalin bilinen hiçbir davranışıyla uyuşmuyordu,” dedi Crommie. “Uzun süre kafamızı kaşıdık. Kristalde böyle uzun dalga modülasyonlarına ne neden olabilirdi? Klasik açıklamaları birer birer dışladık. Spinon hayalet parçacıklarının imzası olduğunu bilmeyerek, bu davranışın sebebini aradık.”

MIT’deki bir teorik işbirlikçi ile temas kurduktan sonra, araştırmacılar bir QSL’ye STM ucundan bir elektron enjekte edildiğinde, elektronun QSL içinde spinonlar ve chargonlar olarak adlandırılan iki parçaya ayrıldığını keşfettiler. Bu, QSL’de spin ve yükün birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğinin bir sonucudur. Spinon parçacıkları spini ayrı olarak taşır, chargonlar ise elektriksel yükü ayrı olarak taşır.

“Vücut Dışı Deneyim”

STM/STS görüntüleri, chargonların donup kalıp, bilim insanlarının “yıldız-David şarj yoğunluğu dalgası” olarak adlandırdığı bir yapı oluşturduğunu gösterdi. Aynı zamanda, spinonlar chargonlardan ayrıldıklarında ve malzeme içinde serbestçe hareket ettiklerinde “vücut dışı deneyim” yaşadıkları görüldü.

“Bu alışılmadık bir durum, çünkü geleneksel bir malzeme içinde, elektronlar spin ve yükü bir arada taşıyarak hareket ederler. Genellikle bu şekilde ayrılmazlar,” dedi Crommie.

Crommie ayrıca, QSL’lerin dayanıklı kuantum bitleri veya kuantum bilgisayarların temel yapı taşları olabilecek kuantum bitlerinin temelini oluşturabileceğini söyledi. Klasik bilgisayarlar, bir biti 0 veya 1 olarak kodlar, ancak kuantum bitleri aynı anda her iki değeri de taşıyabilir. Bu, çok daha hızlı hesaplamalara yol açar ve QSL’lerde spinonlar ve chargonların davranışını anlayarak, bilim insanları bu bilgiyi next-gen bilgisayarları ilerletmek için kullanabilir.

Bilim insanları ayrıca, QSL’leri daha iyi anlamanın, egzotik süper iletkenliğe bir ön adım olabileceğini ve bu nedenle Crommie’nin ALS’de bu kestirimi test edeceğini belirttiler.

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