Denne eksotiske partikel havde en oplevelse uden for kroppen; disse forskere tog et billede af det

Forskere har taget det klareste billede endnu af elektroniske partikler, der udgør en mystisk magnetisk tilstand kaldet kvante -spin -væske (QSL).

Præstationen kunne lette udviklingen af ​​superhurtige kvantecomputere og energieffektive superledere.

Forskerne er de første til at fange et billede af, hvordan elektroner i en QSL nedbrydes til spinlignende partikler kaldet spinoner og ladningslignende partikler kaldet chargons.

"Andre undersøgelser har set forskellige fodaftryk af dette fænomen, men vi har et reelt billede af den tilstand, hvor spinonen lever. Dette er noget nyt, "sagde studieleder Mike Crommie, en højtstående fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og fysikprofessor ved UC.

"Spinoner er som spøgelsespartikler. De er som kvantefysikkens store fod - folk siger, at de har set dem, men det er svært at bevise, at de findes, "sagde medforfatter Sung-Kwan Mo, en personaleforsker ved Berkeley Labs Advanced Light Source. "Med vores metode har vi leveret nogle af de bedste beviser til dato."

En overraskende fangst fra en kvantebølge

I en QSL, spinoner bevæger sig frit omkring varme og centrifugering - men ingen elektrisk ladning. For at opdage dem, de fleste forskere har stolet på teknikker, der leder efter deres varmesignaturer.

Nu, som rapporteret i journalen Naturfysik , Crommie, Mo, og deres forskerhold har demonstreret, hvordan man karakteriserer spinoner i QSL'er ved direkte at afbilde, hvordan de fordeles i et materiale.

For at starte studiet, Mo's gruppe på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) voksede enkeltlagsprøver af tantaldiselenid (1T-TaSe ₂ ), der kun er tre atomer tykke. Dette materiale er en del af en klasse af materialer kaldet overgangsmetaldichalcogenider (TMDC'er). Forskerne i Mo's team er eksperter i molekylær stråle -epitaxy, en teknik til syntetisering af atomtynde TMDC -krystaller fra deres bestanddele.

Mo's team karakteriserede derefter de tynde film gennem vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, en teknik, der bruger røntgenstråler genereret ved ALS.

Ved hjælp af en mikroskopi teknik kaldet scanning tunneling microscopy (STM), forskere i Crommie-laboratoriet-herunder co-first forfattere Wei Ruan, en postdoktor på det tidspunkt, og Yi Chen, derefter en UC Berkeley -kandidatstuderende - injicerede elektroner fra en metalnål i tantal -diselenid TMDC -prøven.

Billeder indsamlet ved at scanne tunnelspektroskopi (STS) - en billeddannelsesteknik, der måler, hvordan partikler arrangerer sig ved en bestemt energi - afslørede noget ganske uventet:et lag mystiske bølger med bølgelængder større end et nanometer (1 milliarddel af en meter), der dækker materialets overflade.

"De lange bølgelængder, vi så, svarede ikke til nogen kendt opførsel af krystallen, ”Sagde Crommie.” Vi ridsede i hovedet i lang tid. Hvad kan forårsage sådanne lange bølgelængdemodulationer i krystallen? Vi udelukkede de konventionelle forklaringer en efter en. Lidt vidste vi, at dette var signaturen af ​​spinonspøgelsespartikler. "

Hvordan spinoner flyver, mens ladninger står stille

Med hjælp fra en teoretisk samarbejdspartner på MIT, forskerne indså, at når en elektron injiceres i en QSL fra spidsen af ​​en STM, det brydes op i to forskellige partikler inde i QSL -spinoner (også kendt som spøgelsespartikler) og træk. Dette skyldes den særegne måde, hvorpå spin og charge i en QSL kollektivt interagerer med hinanden. Spinon -spøgelsespartiklerne ender med at bære spinet separat, mens laderne separat bærer den elektriske ladning.

I den aktuelle undersøgelse, STM/STS -billeder viser, at trækkene fryser på plads, danner, hvad forskere kalder en star-of-David ladningstæthed-bølge. I mellemtiden, spinonerne gennemgår en "out-of-body experience", da de adskiller sig fra de immobiliserede tråde og bevæger sig frit gennem materialet, Sagde Crommie. "Dette er usædvanligt, da i et konventionelt materiale, elektroner bærer begge spin og ladning kombineret til en partikel, når de bevæger sig, "forklarede han." De plejer ikke at bryde fra hinanden på denne sjove måde. "

Crommie tilføjede, at QSL'er en dag kan danne grundlag for robuste kvantebits (qubits), der bruges til kvanteberegning. Ved konventionel computing koder en bit information enten som et nul eller et, men en qubit kan holde både nul og en på samme tid, dermed muligvis fremskynde visse typer beregninger. At forstå, hvordan spinoner og trækstoffer opfører sig i QSL'er, kan hjælpe med at fremme forskning på dette område af næste generations computing.

En anden motivation for at forstå QSL'ernes indre funktion er, at de er blevet forudsagt at være en forløber for eksotisk superledning. Crommie planlægger at teste denne forudsigelse med Mo's hjælp på ALS.

"En del af det skønne ved dette emne er, at alle de komplekse interaktioner i en QSL på en eller anden måde kombineres til at danne en simpel spøgelsespartikel, der bare hopper rundt inde i krystallen, "sagde han." At se denne adfærd var temmelig overraskende, især da vi ikke engang ledte efter det. "