Các nhà khoa học tình cờ phát hiện ra một khám phá mới có thể giúp tiến bộ công nghệ tính toán lượng tử

Các nhà khoa học tại DOE và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley đã có một khám phá không ngờ rằng có thể giúp tiến bộ lĩnh vực máy tính lượng tử và siêu dẫn nhiệt độ cao. Đội ngũ đã chụp được bức ảnh rõ ràng nhất về các hạt điện tử tạo nên chất lỏng spin lượng tử (QSL), một trạng thái từ tính mà các nhà khoa học vẫn chưa biết nhiều về nó.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Physics.

Đội ngũ này là những người đầu tiên chụp được hình ảnh như vậy về cách các electron trong QSL phân hủy thành spinon, hoặc các hạt giống spin, và chargon, các hạt giống điện tích.

Mike Crommie là trưởng nhóm nghiên cứu và nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) và giáo sư vật lý tại UC.

Sung-Kwan Mo là đồng tác giả và nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Nguồn ánh sáng tiên tiến của Berkeley Lab.

“Spinon giống như các hạt ma. Chúng giống như Big Foot của vật lý lượng tử — mọi người nói rằng họ đã thấy chúng, nhưng rất khó chứng minh rằng chúng tồn tại,” Mo nói. “Với phương pháp của chúng tôi, chúng tôi đã cung cấp một số bằng chứng tốt nhất cho đến nay.”

Phát hiện Spinon

Spinon di chuyển tự do trong khi mang nhiệt và spin trong QSL. Tuy nhiên, chúng không có điện tích. Các nhà nghiên cứu truyền thống đã dựa vào các kỹ thuật tìm kiếm dấu hiệu nhiệt để phát hiện spinon.

Đội ngũ đã chứng minh cách mô tả spinon trong QSL bằng cách hình dung trực tiếp cách chúng được phân bố trong vật liệu.

Đội ngũ bắt đầu nghiên cứu bằng cách trồng các mẫu đơn lớp của tantalum diselenide ba nguyên tử dày. Vật liệu này thuộc về một lớp vật liệu gọi là dicacogenide kim loại chuyển tiếp (TMDC), và điều này rất hữu ích vì đội ngũ là chuyên gia về kỹ thuật phân tử chùm phân tử, một kỹ thuật để tổng hợp các tinh thể TMDC nguyên tử từ các nguyên tố cấu thành của chúng.

Đội ngũ sau đó đã mô tả các phim mỏng thông qua một kỹ thuật sử dụng tia X được tạo ra tại ASL. Kỹ thuật này được gọi là quang phổ phát xạ định hướng góc.

Một kỹ thuật khác gọi là kính hiển vi quét đường hầm (STM) được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Crommie để tiêm electron vào mẫu TMDC tantalum diselenide. Đội ngũ này bao gồm các tác giả đầu tiên Wei Ruan, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại thời điểm nghiên cứu, và Yi Chen, một sinh viên sau đại học tại UC Berkeley tại thời điểm đó.

Các nhà nghiên cứu đã có một khám phá không ngờ sau khi thu thập hình ảnh bằng quang phổ quét đường hầm (STS), một kỹ thuật hình ảnh đo cách các hạt sắp xếp mình tại một năng lượng nhất định. Đội ngũ đã tìm thấy rằng một lớp sóng với bước sóng lớn hơn một nanomet bao phủ bề mặt của vật liệu.

“Các bước sóng dài mà chúng tôi nhìn thấy không khớp với bất kỳ hành vi nào của tinh thể,” Crommie nói. “Chúng tôi đã bối rối trong một thời gian dài. Điều gì có thể gây ra sự điều chỉnh bước sóng dài như vậy trong tinh thể? Chúng tôi đã loại bỏ các giải thích thông thường một cách một. Little did chúng tôi biết rằng đây là dấu hiệu của các hạt ma spinon.”

Liên hệ với một cộng tác viên lý thuyết tại MIT, các nhà nghiên cứu sau đó đã tìm thấy rằng khi một electron được tiêm vào QSL từ đầu của STM, nó sẽ phân hủy thành hai phần trong QSL. Hai phần này là spinon và chargon, và đây là kết quả của cách spin và điện tích trong QSL tương tác với nhau. Trong khi các hạt spinon mang spin riêng biệt, các chargon mang điện tích riêng biệt.

“Trải nghiệm ngoài cơ thể”

Các hình ảnh STM/STS đã chứng minh rằng các chargon bị đóng băng tại chỗ và tạo thành cái mà các nhà khoa học gọi là sóng điện tích dạng ngôi sao của David. Đồng thời, các spinon có một “trải nghiệm ngoài cơ thể” khi chúng tách ra khỏi các chargon và di chuyển tự do trong vật liệu.

“Điều này rất bất thường vì trong một vật liệu thông thường, electron mang cả spin và điện tích kết hợp thành một hạt khi chúng di chuyển,” Crommie nói. “Họ không thường phân hủy theo cách kỳ lạ này.”

Crommie cũng cho biết rằng QSL có thể hình thành cơ sở của các bit lượng tử mạnh mẽ, hoặc qubit, những khối xây dựng cơ bản của máy tính lượng tử. Máy tính thông thường dựa trên một bit mã hóa thông tin thành 0 hoặc 1, nhưng qubit có thể giữ cả hai giá trị cùng một lúc. Điều này dẫn đến các tính toán nhanh hơn, và bằng cách hiểu hành vi của spinon và chargon trong QSL, các nhà khoa học có thể sử dụng điều này để tiến bộ máy tính thế hệ tiếp theo.

Các nhà khoa học cũng cho biết rằng bằng cách có được hiểu biết sâu sắc hơn về QSL, họ có thể hoạt động như một tiền thân của siêu dẫn kỳ lạ, vì vậy Crommie sẽ kiểm tra dự đoán tại ALS.

“Một phần của vẻ đẹp của chủ đề này là tất cả các tương tác phức tạp trong QSL kết hợp lại để tạo thành một hạt ma đơn giản chỉ bật quanh trong tinh thể,” ông nói. “Nhìn thấy hành vi này rất ngạc nhiên, đặc biệt là vì chúng tôi thậm chí không tìm kiếm nó.”