科学家偶然发现新现象，有望推进量子计算

美国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们偶然发现了一种新现象，这可能有助于推进量子计算和高温超导体的发展。该团队拍摄了量子自旋液体（QSL）中电子粒子的最清晰图像，QSL是一种磁性状态，科学家们对其了解甚少。

该研究发表在《自然物理学》杂志上。

该团队首次捕捉到电子在QSL中分解为自旋子（spinons）和电荷子（chargons）的图像。

迈克·克罗米（Mike Crommie）是该研究的领导者和伯克利实验室的高级科学家，也是加州大学伯克利分校的物理学教授。

孙光宽（Sung-Kwan Mo）是伯克利实验室先进光源的工作人员和该研究的共同作者。

“自旋子就像幽灵粒子。它们就像量子物理学中的大脚怪——人们说他们见过它们，但很难证明它们的存在，”孙光宽说。“通过我们的方法，我们提供了一些迄今为止最好的证据。”

检测自旋子

自旋子在QSL中自由移动，携带热量和自旋，但它们没有电荷。研究人员传统上依靠检测热量信号的技术来检测自旋子。

该团队能够通过直接成像自旋子的分布来表征QSL中的自旋子。

该团队首先通过分子束外延法生长了三原子厚的钽二硒化物单层样品。该材料属于过渡金属二硫化物（TMDCs）类，团队对此类材料有所了解，因为他们是分子束外延法的专家，这是一种从其组成元素中合成原子级薄TMDC晶体的技术。

然后，团队使用先进光源（ASL）生成的X射线来表征薄膜，这种技术称为角度分辨光电子能谱。

克罗米实验室的研究人员使用扫描隧道显微镜（STM）技术将钽二硒化物TMDC样品注入电子。该团队包括共同第一作者魏润（Wei Ruan）和陈毅（Yi Chen），他们在研究期间分别是博士后和加州大学伯克利分校的研究生。

研究人员在收集扫描隧道光谱（STS）图像后发现了意外的结果，STS是一种测量粒子在特定能量下排列方式的成像技术。他们发现材料表面有一层大于一纳米的波长的波浪覆盖。

“我们看到的长波长与晶体的已知行为不相符，”克罗米说。“我们挠头思考了很长时间。什么可能导致晶体中出现这样的长波长调制？我们逐一排除了传统的解释。谁知道这是自旋子幽灵粒子的标志？”

联系到麻省理工学院的一位理论合作伙伴后，研究人员发现，当一个电子从扫描隧道显微镜（STM）的尖端注入QSL时，它会在QSL内部分解成两个部分。这些两个部分是自旋子和电荷子，这是QSL中自旋和电荷相互作用的结果。虽然自旋子粒子单独携带自旋，但电荷子单独携带电荷。

“出体经验”

STM/STS图像表明，电荷子冻结在原地，形成科学家所说的星形电荷密度波。同时，自旋子与电荷子分离，自由移动于材料中。

“这很不寻常，因为在传统材料中，电子携带自旋和电荷同时移动，但它们通常不会以这种奇怪的方式分离，”克罗米说。

克罗米还说，QSL可能成为强健量子比特（qubits）的基础，qubits是量子计算的基本构建块。传统计算依赖于比特来编码信息为0或1，但qubits可以同时持有这些值。这将导致计算速度大大提高，通过了解QSL中自旋子和电荷子的行为，科学家们可能会利用这一点来推进下一代计算。

科学家们还说，通过深入了解QSL，他们可能会成为奇异超导体的前身，因此克罗米将在先进光源（ALS）中测试这一预测。

“这个主题的美丽之处在于，QSL中的所有复杂相互作用不知何故结合在一起，形成一个简单的幽灵粒子，它只是在晶体中弹跳，”他说。“看到这种行为很令人惊讶，尤其是我们当时并没有在寻找它。”