Ученые наткнулись на новое открытие, которое может продвинуть квантовые вычисления

Ученые в DOE и Lawrence Berkeley National Laboratory сделали неожиданное открытие, которое может помочь продвинуть область квантовых компьютеров и высокотемпературных сверхпроводников. Команда сделала самое четкое изображение электронных частиц, составляющих квантовую спин-жидкость (QSL), которая является магнитным состоянием, о котором ученые еще не знают слишком много.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.

Команда была первой, кто смогла запечатлеть такое изображение того, как электроны в QSL разлагаются на спиноны, или спиноподобные частицы, и чарджоны, зарядоподобные частицы.

Майк Кромми является лидером исследования и старшим научным сотрудником в Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) и профессором физики в UC.

Сан-Кван Мо является соавтором и научным сотрудником в Advanced Light Source в Berkeley Lab.

“Спиноны похожи на призрачные частицы. Они похожи на Бигфут квантовой физики — люди говорят, что они их видели, но трудно доказать, что они существуют”, — сказал Мо. “С нашим методом мы предоставили некоторые из лучших доказательств на сегодняшний день”.

Обнаружение спинонов

Спиноны свободно перемещаются, несущие тепло и спин в QSL. Однако они не имеют электрического заряда. Исследователи традиционно полагались на методы, которые ищут тепловые сигнатуры, чтобы обнаружить спиноны.

Команда смогла продемонстрировать, как характеризовать спиноны в QSL, непосредственно изображая, как они распределены в материале.

Команда начала исследование, выращивая однослоные образцы тантала диселенида толщиной три атома. Материал принадлежит к классу материалов, называемых переходными металлическими дихалькогенидами (TMDC), и это было полезно, поскольку команда являются экспертами в молекулярной лучевой эпитаксии, которая является методом синтеза атомно-тонких TMDC-кристаллов из их составных элементов.

Команда затем характеризовала тонкие пленки с помощью метода, который использует рентгеновские лучи, генерируемые в ASL. Этот метод называется угловым разрешенным фотоэмиссионным спектроскопом.

Другой метод, называемый сканирующей туннельной микроскопией (STM), был использован исследователями в лаборатории Кромми, чтобы ввести электроны в образец тантала диселенида TMDC. Эта команда включала соавторов Вей Руана, постдокторанта на момент исследования, и И Чена, аспиранта UC Berkeley на момент исследования.

Исследователи сделали неожиданное открытие после сбора изображений с помощью сканирующей туннельной спектроскопии (STS), которая является методом измерения того, как частицы располагаются при определенной энергии. Команда обнаружила, что слой волн с длинами волн больше одного нанометра покрывал поверхность материала.

“Длинные длины волн, которые мы увидели, не соответствовали никому известному поведению кристалла”, — сказал Кромми. “Мы почесали голову над этим в течение долгого времени. Что могло вызвать такие длинные длины волн в кристалле? Мы исключили обычные объяснения один за другим. Маленько мы знали, что это было сигналом призрачных частиц спинонов”.

Обратившись к теоретическому сотруднику в MIT, исследователи затем обнаружили, что когда электрон вводится в QSL из кончика STM, он разлагается внутри QSL на две части. Эти две части — спиноны и чарджоны — и это результат того, как спин и заряд в QSL взаимодействуют друг с другом. Пока спинонные частицы несут спин отдельно, чарджоны несут электрический заряд.

“Опыт вне тела”

Изображения STM/STS продемонстрировали, что чарджоны замерзают на месте и образуют то, что ученые называют волной зарядовой плотности “звезда Давида”. В то же время спиноны имеют “опыт вне тела”, когда они отделяются от чарджонов и свободно перемещаются через материал.

“Это необычно, поскольку в обычном материале электроны несут как спин, так и заряд, объединенные в одну частицу, когда они перемещаются. Они обычно не разлагаются таким странным образом”, — сказал Кромми.

Кромми также говорит, что QSL может образовать основу для прочных квантовых битов, или кубитов, которые являются фундаментальными строительными блоками квантовых вычислений. Обычные вычисления полагаются на бит, кодирующий информацию как ноль или один, но кубиты могут содержать оба этих значения одновременно. Это приводит к намного быстрее расчетам, и понимая поведение спинонов и чарджонов в QSL, ученые могли бы использовать это, чтобы продвинуть следующее поколение вычислений.

Ученые также говорят, что, получив более глубокое понимание QSL, они могли бы действовать как предшественник экзотической сверхпроводимости, поэтому Кромми проверит предсказание в ALS.

“Часть красоты этой темы заключается в том, что все сложные взаимодействия внутри QSL каким-то образом объединяются, образуя простую призрачную частицу, которая просто отскакивает внутри кристалла”, — сказал он. “Увидеть такое поведение было довольно удивительно, особенно поскольку мы даже не искали этого”.