Эта экзотическая частица получила внетелесный опыт, и ученые сфотографировали ее

Это достижение может способствовать разработке сверхбыстрых квантовых компьютеров и энергоэффективных сверхпроводников.

Схема треугольной спиновой решетки и волновой картины плотности заряда звезды Давида в монослое диселенида тантала. Каждая звезда состоит из 13 атомов тантала. Локализованные спины представлены синей стрелкой в ​​центре звезды. Волновая функция локализованных электронов представлена ​​серой штриховкой. Предоставлено: Майк Кромми и др. / Лаборатория Беркли.

Ученые первыми сделали снимок того, как электроны в QSL разлагаются на спиноподобные частицы, называемые спинонами, и зарядоподобные частицы, называемые чаргонами.

«В других исследованиях наблюдались различные следы этого явления, но у нас есть реальная картина состояния, в котором живет спинон. Это что-то новое », – сказал руководитель исследования Майк Кромми, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) и профессор физики Калифорнийского университета.

«Спиноны подобны частицам-призракам. Они похожи на Большую ногу квантовой физики – люди говорят, что видели их, но трудно доказать, что они существуют », – сказал соавтор Сунг-Кван Мо, научный сотрудник Advanced Light Source лаборатории Беркли. «С помощью нашего метода мы предоставили одни из лучших доказательств на сегодняшний день».

Неожиданный улов от квантовой волны

В QSL спиноны свободно перемещаются, неся тепло и спин, но без электрического заряда. Чтобы обнаружить их, большинство исследователей полагались на методы, которые ищут их тепловые сигнатуры.

Теперь, как сообщается в журнале Природа Физика, Кромми, Мо и их исследовательские группы продемонстрировали, как охарактеризовать спиноны в QSL, непосредственно отображая, как они распределены в материале.

Чтобы начать исследование, группа Мо из Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли выращивала однослойные образцы диселенида тантала (1T-TaSe₂) толщиной всего в три атома. Этот материал является частью класса материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов (TMDC). Исследователи в команде Мо являются экспертами в молекулярно-лучевой эпитаксии, методе синтеза атомно тонких кристаллов TMDC из составляющих их элементов.

Затем группа Мо охарактеризовала тонкие пленки с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением – метода, в котором используются рентгеновские лучи, генерируемые в ALS.

Изображение образца диселенида тантала толщиной всего 3 атома, полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Предоставлено: Майк Кромми и др. / Лаборатория Беркли.

Используя метод микроскопии, называемый сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), исследователи лаборатории Кромми, в том числе соавторы Вэй Руан, в то время докторант, и И Чен, тогда аспирант Калифорнийского университета в Беркли, вводили электроны из металлической иглы. в образец TMDC диселенида тантала.

Изображения, полученные с помощью сканирующей туннельной спектроскопии (STS) – метода визуализации, который измеряет, как частицы располагаются при определенной энергии, – выявили кое-что совершенно неожиданное: слой загадочных волн с длинами волн больше одного нанометра (1 миллиардной метра), покрывающих материал поверхность.

«Длинные волны, которые мы видели, не соответствовали никакому известному поведению кристалла», – сказал Кромми. «Мы долго чесали в затылке. Что могло вызвать такие длинноволновые модуляции в кристалле? Одно за другим мы исключили условные объяснения. Мало ли мы знали, что это была сигнатура частиц-призраков спинонов ».

Как спиноны улетают, а чаргоны стоят на месте

С помощью теоретического сотрудника из Массачусетского технологического института исследователи поняли, что когда электрон инжектируется в КСЛ из острия СТМ, он распадается на две разные частицы внутри КСЛ – спиноны (также известные как частицы-призраки) и угли. Это происходит из-за своеобразного способа, которым спин и заряд в QSL коллективно взаимодействуют друг с другом. Призрачные частицы спинонов в конечном итоге по отдельности несут спин, в то время как заряды по отдельности несут электрический заряд.

В текущем исследовании изображения STM / STS показывают, что угли замерзают на месте, образуя то, что ученые называют волной зарядовой плотности звезды Давида. Между тем, спиноны претерпевают «внетелесный опыт», поскольку они отделяются от неподвижных чаргонов и свободно перемещаются через материал, сказал Кромми. «Это необычно, поскольку в обычном материале электроны переносят оба вращение и заряд объединяются в одну частицу, когда они движутся », – объяснил он. «Обычно они не распадаются таким забавным образом».

Кромми добавил, что однажды QSL могут стать основой надежных квантовых битов (кубитов), используемых для квантовых вычислений. При обычных вычислениях бит кодирует информацию либо как ноль, либо как единица, но кубит может одновременно содержать как ноль, так и единицу, что потенциально ускоряет определенные типы вычислений. Понимание того, как спиноны и чаргоны ведут себя в QSL, может помочь продвинуть исследования в этой области вычислений следующего поколения.

Иллюстрация распада электрона на частицы-призраки спинонов и угли внутри квантовой спиновой жидкости. Предоставлено: Майк Кромми и др. / Лаборатория Беркли.

Еще одна мотивация для понимания внутреннего устройства QSL заключается в том, что они предсказаны как предшественники экзотической сверхпроводимости. Кромми планирует проверить это предсказание с помощью Мо в ALS.

«Отчасти прелесть этой темы в том, что все сложные взаимодействия внутри QSL каким-то образом объединяются, чтобы сформировать простую частицу-призрак, которая просто отскакивает внутри кристалла», – сказал он. «Увидеть такое поведение было довольно удивительно, тем более, что мы его даже не искали».