Wetenschappers hebben het duidelijkste beeld tot nu toe gemaakt van elektronische deeltjes die deel uitmaken van een mysterieuze magnetische toestand die quantum spin-vloeistof (QSL) wordt genoemd.

De prestatie zou de ontwikkeling van supersnelle kwantumcomputers en energiezuinige supergeleiders kunnen vergemakkelijken.

De wetenschappers zijn de eersten die een beeld hebben vastgelegd van hoe elektronen in een QSL uiteenvallen in spinachtige deeltjes die spinons worden genoemd en ladingsachtige deeltjes die chargons worden genoemd.

"Andere studies hebben verschillende voetafdrukken van dit fenomeen gezien, maar we hebben een actueel beeld van de staat waarin de spinon leeft. Dit is iets nieuws, " zei studieleider Mike Crommie, een senior faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en hoogleraar natuurkunde aan de UC.

"Spinons zijn als spookdeeltjes. Ze zijn als de Big Foot van de kwantumfysica - mensen zeggen dat ze ze hebben gezien, maar het is moeilijk te bewijzen dat ze bestaan, " zei co-auteur Sung-Kwan Mo, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Advanced Light Source. "Met onze methode hebben we een aantal van de beste bewijzen tot nu toe geleverd."

Een verrassende vangst van een kwantumgolf

In een QSL, spinons bewegen vrij rond en dragen warmte en spin - maar geen elektrische lading. Om ze op te sporen, de meeste onderzoekers hebben vertrouwd op technieken die op zoek zijn naar hun hittesignaturen.

Nutsvoorzieningen, zoals gerapporteerd in het journaal Natuurfysica , Crommie, ma, en hun onderzoeksteams hebben aangetoond hoe spinons in QSL's kunnen worden gekarakteriseerd door direct te visualiseren hoe ze in een materiaal worden verdeeld.

Om met de studie te beginnen, Mo's groep bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) kweekte enkellaagse monsters van tantaaldiselenide (1T-TaSe ₂ ) die slechts drie atomen dik zijn. Dit materiaal maakt deel uit van een klasse materialen die overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's) worden genoemd. De onderzoekers in Mo's team zijn experts in moleculaire bundelepitaxie, een techniek voor het synthetiseren van atomair dunne TMDC-kristallen uit hun samenstellende elementen.

Mo's team karakteriseerde vervolgens de dunne films door middel van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie, een techniek die gebruik maakt van röntgenstralen die bij de ALS worden gegenereerd.

Met behulp van een microscopietechniek genaamd scanning tunneling microscopie (STM), onderzoekers in het Crommie-lab, waaronder co-eerste auteurs Wei Ruan, destijds een postdoctoraal onderzoeker, en Yi Chen, vervolgens injecteerde een afgestudeerde student van UC Berkeley elektronen van een metalen naald in het tantaaldiselenide TMDC-monster.

Beelden verzameld door middel van scanning tunneling spectroscopie (STS) - een beeldvormingstechniek die meet hoe deeltjes zichzelf rangschikken bij een bepaalde energie - onthulden iets heel onverwachts:een laag mysterieuze golven met golflengten groter dan één nanometer (1 miljardste van een meter) die het materiaal bedekken oppervlakte.

"De lange golflengten die we zagen kwamen niet overeen met enig bekend gedrag van het kristal, "Zei Crommie. "We hebben lang op ons hoofd gekrabd. Wat zou zulke lange-golflengtemodulaties in het kristal kunnen veroorzaken? We hebben de conventionele verklaringen één voor één uitgesloten. We wisten niet dat dit de signatuur was van spinon-spookdeeltjes."

Hoe spinons vliegen terwijl chargons stil staan

Met hulp van een theoretisch medewerker aan het MIT, realiseerden de onderzoekers zich dat wanneer een elektron wordt geïnjecteerd in een QSL vanaf de punt van een STM, het valt uiteen in twee verschillende deeltjes binnen de QSL-spinons (ook bekend als spookdeeltjes) en chargons. Dit komt door de eigenaardige manier waarop spin en lading in een QSL collectief met elkaar omgaan. De spinon-spookdeeltjes dragen afzonderlijk de spin, terwijl de chargons afzonderlijk de elektrische lading dragen.

In de huidige studie, STM/STS-beelden laten zien dat de chargons op hun plaats bevriezen, het vormen van wat wetenschappers een ster-van-David-ladingsdichtheidsgolf noemen. In de tussentijd, de spinons ondergaan een "uittredingservaring" terwijl ze zich scheiden van de geïmmobiliseerde chargons en vrij door het materiaal bewegen, zei Crommie. "Dit is ongebruikelijk omdat in een conventioneel materiaal, elektronen dragen beide de spin en lading gecombineerd tot één deeltje terwijl ze bewegen, "legde hij uit. "Normaal gesproken vallen ze niet op deze grappige manier uiteen."

Crommie voegde eraan toe dat QSL's op een dag de basis kunnen vormen van robuuste kwantumbits (qubits) die worden gebruikt voor kwantumcomputers. Bij conventioneel computergebruik codeert een bit informatie als een nul of een één, maar een qubit kan zowel nul als één bevatten, waardoor mogelijk bepaalde soorten berekeningen worden versneld. Begrijpen hoe spinons en chargons zich gedragen in QSL's zou kunnen helpen bij het bevorderen van onderzoek op dit gebied van next-gen computing.

Een andere motivatie om de innerlijke werking van QSL's te begrijpen, is dat er is voorspeld dat ze een voorloper zijn van exotische supergeleiding. Crommie is van plan om die voorspelling te testen met de hulp van Mo bij de ALS.

"Een deel van de schoonheid van dit onderwerp is dat alle complexe interacties binnen een QSL op de een of andere manier samen een eenvoudig spookdeeltje vormen dat gewoon rondstuitert in het kristal, ' zei hij. 'Het zien van dit gedrag was behoorlijk verrassend, vooral omdat we er niet eens naar op zoek waren."