量子计算奇异粒子经历“体外体验”

一项意想不到的发现可以推动量子计算机和高温超导体的发展

(ChinaIT.com讯)科学家们拍摄了迄今为止最清晰的电子粒子照片,这些粒子构成了一种称为量子自旋液体 (QSL) 的神秘磁态。

这一成果可以促进高速量子计算机和节能超导体的发展。

科学家们率先捕捉到了 QSL 中的电子如何分解成类自旋粒子(称为自旋子)和类电荷粒子(称为电荷子)的图像。

劳伦斯伯克利国家实验室(简称伯克利实验室)的资深科学家、加州大学物理学教授 Mike Crommie 表示:“虽然其他研究已经看到了这种现象的种种痕迹,但我们对自旋子所处的状态有一个真实的了解。这是新的东西。”

伯克利实验室高级光源研究人员、共同作者 Sung-Kwan Mo 表示:“自旋子就像幽灵粒子。它们就像量子物理学的大脚——人们说看到了它们,但很难证明它们的存在。”“通过我们的方法,我们提供了一些迄今为止最好的证据。”

来自量子波的意外收获

在 QSL 中,自旋子可以自由移动,携带热量和自旋——但不带电荷。为了检测它们,大多数研究人员都依赖于寻找自璇子热特征的技术。

现在,正如《自然物理学》杂志所报道的,Crommie、Mo 和他们的研究团队已经展示了如何通过直接成像 QSL 中的自旋子在材料中的分布来表征它们。

为了开始这项研究,Mo 的团队在伯克利实验室的高级光源 (ALS) 培育了只有三个原子厚的二硒化钽 (1T-TaSe2) 单层样品。这种材料是过渡金属二硫属化物 (TMDC) 材料的一部分。Mo 团队的研究人员都是分子束外延(一种从组成元素合成原子级薄 TMDC 晶体的技术)方面的专家。

然后,Mo 的团队通过角分辨光电子能谱(一种使用 ALS 产生的 X 射线的技术)对薄膜进行了表征。

通过使用一种称为扫描隧道显微镜 (STM) 的显微镜技术,Crommie 实验室的研究人员——包括共同第一作者、当时的博士后研究员 Wei Ruan 和加州大学伯克利分校的研究生 Yi Chen——将金属针中的电子注入到二硒化钽 TMDC 样品中。

通过扫描隧道谱 (STS) 收集的图像——一种测量粒子在特定能量下如何排列的成像技术——揭示了一些非常出乎意料的事情:一层波长大于一纳米(十亿分之一米)的神秘波覆盖了材料的表面。

“我们看到的长波长与晶体的任何已知行为都不相符,”Crommie 说。“我们困惑了很长时间。是什么导致了晶体中如此长的波长调制?我们一一排除了传统的解释。我们并不知道这是自旋子幽灵粒子的特征。”

当电荷子静止不动时,自旋子如何飞行

在麻省理工学院一位理论合作者的帮助下,研究人员意识到,当一个电子从 STM 的尖端注入 QSL 时,它会在 QSL 内分裂成两种不同的粒子——自旋子(也称为幽灵粒子)和电荷子。这是由于 QSL 中自旋和电荷共同相互作用的特殊方式。自旋幽灵粒子最终单独携带自旋,而电荷单独携带电荷子。

在目前的研究中,STM/STS 图像显示电荷子在原地冻结,形成了科学家所说的大卫之星电荷密度波。与此同时,当自旋子与固定的电荷子分离并在材料中自由移动时,它们会经历“体外体验”,Crommie 说。“这是不同寻常的,因为在传统材料中,电子在移动时携带自旋和电荷并结合成一个粒子,”他解释道,“他们通常不会以这种有趣的方式分开。”

Crommie 补充道,有朝一日 QSL 可能会成为用于量子计算的稳健量子位 (qubits) 的基础。 在传统计算中,一个比特将信息编码为 0 或 1,但一个量子比特可以同时保存 0 和 1,因此可能会加速某些类型的计算。了解自旋子和电荷子在 QSL 中的行为可以帮助推进下一代计算领域的研究。

理解 QSL 内部工作机制的另一个动机是,它们被预测为奇异超导的先驱。Crommie 计划在 Mo 的帮助下在 ALS 测试该预测。

“这个话题的部分美妙之处在于,QSL 中所有复杂的相互作用以某种方式结合起来,形成一个简单的幽灵粒子,它只是在晶体内部反弹,”他说。“看到这种行为非常令人惊讶,尤其是我们根本没去寻找它。”

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