Вчені натрапили на нове відкриття, яке може просунути квантові обчислення

Вчені з Міністерства енергетики та Національної лабораторії Лоуренса Берклі зробили несподівану знахідку, яка може допомогти просунутись у галузі квантових комп’ютерів і високотемпературних надпровідників. Команда зробила найчіткіше зображення електронних частинок, які утворюють квантову спінову рідину (QSL), яка є магнітним станом, про який вчені все ще не так багато знають.

Дослідження було опубліковане в журналі Фізика природи.

Команда була першою, хто зробив таке зображення того, як електрони в QSL розкладаються на спінони, або спіноподібні частинки, і чаргони, зарядоподібні частинки.

Майк Кроммі є керівником дослідження та старшим науковим співробітником Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) і професором фізики Каліфорнійського університету. 

Сунг-Кван Мо є співавтором і науковим співробітником лабораторії Berkeley Advanced Light Source.

«Спінони схожі на частинки-привиди. Вони схожі на Велику Стопу квантової фізики — люди кажуть, що бачили їх, але важко довести, що вони існують, — сказав Мо. — За допомогою нашого методу ми надали одні з найкращих доказів на сьогоднішній день».

Виявлення спінонів

Спінони вільно пересуваються, несучи тепло і обертаються в QSL. Однак вони не мають електричного заряду. Дослідники традиційно покладаються на методи, які шукають теплові сигнатури, щоб виявити спінони. 

Команда змогла продемонструвати, як охарактеризувати спінони в QSL, безпосередньо уявивши, як вони розподілені в матеріалі.

Команда почала дослідження з вирощування одношарових зразків диселеніду танталу товщиною три атоми. Цей матеріал належить до класу матеріалів, які називаються дихалькогенідами перехідних металів (TMDC), і це було корисно, оскільки команда є експертами з молекулярно-променевої епітаксії, яка є технікою синтезу атомарно тонких кристалів TMDC з їхніх складових елементів. 

Потім команда охарактеризувала тонкі плівки за допомогою техніки, яка використовує рентгенівські промені, створені на ASL. Цей метод називається фотоемісійною спектроскопією з кутовим розділенням. 

Дослідники з лабораторії Кроммі використовували інший метод, який називається скануюча тунельна мікроскопія (STM), щоб вводити електрони в зразок диселеніду танталу TMDC. До цієї команди входили співавтори Вей Руань, докторант на час дослідження, та Ї Чен, аспірант Каліфорнійського університету в Берклі.

Дослідники зробили несподіваний висновок після збору зображень за допомогою скануючої тунельної спектроскопії (STS), яка є технікою зображення, яка вимірює, як частинки розташовуються при певній енергії. Команда виявила, що шар хвиль з довжиною хвилі більше одного нанометра покриває поверхню матеріалу.

«Довгі хвилі, які ми бачили, не відповідали жодній відомій поведінці кристала», — сказав Кроммі. «Ми довго чухали потилиці. Що могло викликати такі довгохвильові модуляції в кристалі? Ми виключали традиційні пояснення одне за одним. Ми навіть не знали, що це ознака спінонних частинок-привидів».

Звернувшись до теоретичного співробітника з Массачусетського технологічного інституту, дослідники виявили, що коли електрон вводиться в QSL з кінчика STM, він розпадається всередині QSL на дві частини. Ці дві частини є спінонами та чаргонами, і це результат того, як спін і заряд у QSL взаємодіють один з одним. У той час як спінонові частинки несуть спін окремо, чаргони окремо несуть електричний заряд.

«Позатілесний досвід»

Зображення STM/STS показали, що заряди застигають на місці й утворюють те, що вчені називають хвилею щільності заряду зірки Давида. У той же час спінони мають «позатілесний досвід», коли вони відокремлюються від чаргонів і вільно рухаються крізь матеріал. 

«Це незвично, оскільки в звичайному матеріалі електрони несуть і спін, і заряд, об’єднані в одну частинку, коли вони рухаються», — сказав Кроммі. «Зазвичай вони не розпадаються таким смішним чином».

Кроммі також каже, що QSL можуть стати основою надійних квантових бітів або кубітів, які є фундаментальними будівельними блоками квантових обчислень. Звичайні обчислення покладаються на бітове кодування інформації як нуль або одиницю, але кубіти можуть утримувати обидва ці значення одночасно. Це призводить до набагато швидших обчислень, і, розуміючи поведінку спінонів і чаргонів у QSL, вчені можуть використовувати це для просування обчислень наступного покоління. 

Вчені також кажуть, що, отримавши глибше розуміння QSL, вони можуть стати попередником екзотичної надпровідності, тому Кроммі перевірить прогноз на ALS. 

«Частиною краси цієї теми є те, що всі складні взаємодії в QSL якимось чином поєднуються, щоб утворити просту частинку-привид, яка просто підстрибує всередині кристала», — сказав він. «Побачити таку поведінку було досить несподівано, особливо тому, що ми навіть не шукали цього».