Schematisk bild av det triangulära spinngitteret och star-of-David laddningstäthetsvågmönster i ett monoskikt av tantaldiselenid. Varje stjärna består av 13 tantalatomer. Lokaliserade snurr representeras av en blå pil i stjärnmitten. Vågfunktionen hos de lokaliserade elektronerna representeras av grå skuggning. Upphovsman:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Forskare har tagit den tydligaste bilden ännu av elektroniska partiklar som utgör ett mystiskt magnetiskt tillstånd som kallas kvantspinnvätska (QSL).
Prestationen kan underlätta utvecklingen av supersnabba kvantdatorer och energieffektiva supraledare.
Forskarna är de första som fångar en bild av hur elektroner i en QSL sönderdelas till spinnliknande partiklar som kallas spinoner och laddningsliknande partiklar som kallas chargoner.
"Andra studier har sett olika fotavtryck av detta fenomen, men vi har en verklig bild av det tillstånd där spinonen lever. Det här är något nytt, "sa studieledaren Mike Crommie, en senior fakultetsvetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och fysikprofessor vid UC.
"Spinoner är som spökpartiklar. De är som kvantfysikens stora fot - människor säger att de har sett dem, men det är svårt att bevisa att de finns, "sa medförfattaren Sung-Kwan Mo, en personalvetare vid Berkeley Labs Advanced Light Source. "Med vår metod har vi tillhandahållit några av de bästa bevisen hittills."
En överraskning från en kvantvåg
I en QSL, spinoner rör sig fritt om värme och centrifugering - men ingen elektrisk laddning. För att upptäcka dem, de flesta forskare har förlitat sig på tekniker som letar efter sina värmesignaturer.
Skannar tunnelmikroskopi av ett tantalprov som är bara 3 atomer tjockt. Upphovsman:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Nu, enligt tidningen Naturfysik , Crommie, Mo, och deras forskargrupper har visat hur man kan karakterisera spinoner i QSL genom att direkt avbilda hur de distribueras i ett material.
För att påbörja studien, Mo:s grupp vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS) odlade prover i ett lager av tantaldiselenid (1T-TaSe 2 ) som bara är tre atomer tjocka. Detta material ingår i en materialklass som kallas övergångsmetalldykalkogenider (TMDC). Forskarna i Mo's team är experter på molekylär stråleepitaxi, en teknik för syntetisering av atomiskt tunna TMDC -kristaller från deras beståndsdelar.
Mo:s team karakteriserade sedan de tunna filmerna genom vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, en teknik som använder röntgenstrålar som genereras vid ALS.
Med hjälp av en mikroskopiteknik som kallas scanning tunneling microscopy (STM), forskare i Crommie-labbet-inklusive de första författarna Wei Ruan, en postdoktor vid den tiden, och Yi Chen, sedan en UC Berkeley doktorand - injicerade elektroner från en metallnål i tantal -diselenid TMDC -provet.
Bilder som samlats in genom att skanna tunnelspektroskopi (STS) - en bildteknik som mäter hur partiklar ordnar sig vid en viss energi - avslöjade något ganska oväntat:ett lager mystiska vågor med våglängder större än en nanometer (1 miljarddels meter) som täcker materialets yta.
"De långa våglängder vi såg motsvarade inte något känt beteende hos kristallen, ”Sa Crommie.” Vi kliade oss i huvudet länge. Vad kan orsaka sådana långa våglängdsmoduleringar i kristallen? Vi utesluter de konventionella förklaringarna en efter en. Lite visste vi att detta var signaturen för spinnspökpartiklar. "
Illustration av en elektron som bryts sönder till spinnspökpartiklar och laddningar inuti en kvantspinnvätska. Upphovsman:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Hur spinoner flyger medan chargons står stilla
Med hjälp av en teoretisk samarbetspartner på MIT, forskarna insåg att när en elektron injiceras i en QSL från spetsen av en STM, den bryts sönder till två olika partiklar inuti QSL -spinoner (även kända som spökpartiklar) och kargoner. Detta beror på det speciella sätt på vilket snurr och laddning i en QSL kollektivt interagerar med varandra. Spinnspökpartiklarna hamnar separat i spinnet medan lasterna separat bär den elektriska laddningen.
I den aktuella studien, STM/STS -bilder visar att lasterna fryser på plats, bilda vad forskare kallar en stjärna-av-David laddningstäthet-våg. Under tiden, spinonerna genomgår en "out-of-body experience" när de separerar från de immobiliserade laddningarna och rör sig fritt genom materialet, Sa Crommie. "Detta är ovanligt eftersom i ett konventionellt material, elektroner bär både centrifugeringen och laddningen kombineras till en partikel när de rör sig, "förklarade han." De brukar inte bryta isär på detta roliga sätt. "
Crommie tillade att QSL:er en dag kan utgöra grunden för robusta kvantbitar (qubits) som används för kvantberäkning. Vid konventionell beräkning kodar en bit information antingen som en nolla eller en, men en qubit kan hålla både noll och en samtidigt, vilket kan påskynda vissa typer av beräkningar. Att förstå hur spinoner och chargoner beter sig i QSL:er kan hjälpa till att främja forskning inom detta område av nästa generations datorer.
En annan motivation för att förstå QSL:s inre funktioner är att de har förutsetts vara en föregångare till exotisk supraledning. Crommie planerar att testa den förutsägelsen med Mo:s hjälp på ALS.
"En del av det fina med detta ämne är att alla komplexa interaktioner inom en QSL på något sätt kombineras för att bilda en enkel spökpartikel som bara studsar inuti kristallen, "sa han." Att se detta beteende var ganska överraskande, speciellt eftersom vi inte ens letade efter det. "
