Los científicos del DOE y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley tuvieron un hallazgo inesperado que podría ayudar a avanzar en el campo de las computadoras cuánticas y los superconductores de alta temperatura. El equipo tomó la imagen más clara hasta el momento de las partículas electrónicas que componen el líquido de espín cuántico (QSL), que es un estado magnético del que los científicos aún no saben demasiado.
La investigación fue publicada en la revista Física de la naturaleza.
El equipo fue el primero en capturar una imagen de este tipo de cómo los electrones en una QSL se descomponen en espinones, o partículas con forma de espín, y chargones, partículas con forma de carga.
Mike Crommie es líder del estudio y científico principal de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor de física en la UC.
Sung-Kwan Mo es coautor y científico del personal de Advanced Light Source de Berkeley Lab.
“Los spinons son como partículas fantasmas. Son como el Pie Grande de la física cuántica: la gente dice que los ha visto, pero es difícil demostrar que existen”, dijo Mo. “Con nuestro método, hemos proporcionado algunas de las mejores pruebas hasta la fecha”.
Detección de espines
Los spinons se mueven libremente mientras transportan calor y giran en una QSL. Sin embargo, no tienen carga eléctrica. Los investigadores se han basado tradicionalmente en técnicas que buscan señales de calor para detectar espinones.
El equipo pudo demostrar cómo caracterizar espinones en QSL imaginando directamente la forma en que se distribuyen en un material.
El equipo comenzó el estudio cultivando muestras de una sola capa de diseleniuro de tantalio de tres átomos de espesor. El material pertenece a una clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), y esto fue útil ya que el equipo es experto en epitaxia de haces moleculares, que es una técnica para sintetizar cristales de TMDC atómicamente delgados a partir de sus elementos constituyentes.
Luego, el equipo caracterizó las películas delgadas a través de una técnica que utiliza rayos X generados en el ASL. Esta técnica se llama espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo.
Los investigadores del laboratorio de Crommie utilizaron otra técnica llamada microscopía de túnel de barrido (STM) para inyectar electrones en la muestra de TMDC de diseleniuro de tantalio. Ese equipo incluía a los coautores Wei Ruan, un becario postdoctoral en el momento de la investigación, y Yi Chen, un estudiante graduado de UC Berkeley en ese momento.
Los investigadores hicieron un hallazgo inesperado después de recopilar imágenes mediante la espectroscopia de túnel de barrido (STS), que es una técnica de imagen que mide cómo las partículas se organizan en una energía particular. El equipo descubrió que una capa de ondas con longitudes de onda superiores a un nanómetro cubría la superficie del material.
“Las largas longitudes de onda que vimos no correspondían a ningún comportamiento conocido del cristal”, dijo Crommie. “Nos rascamos la cabeza durante mucho tiempo. ¿Qué podría causar modulaciones de longitud de onda tan largas en el cristal? Descartamos las explicaciones convencionales una por una. Poco sabíamos que esta era la firma de las partículas fantasmas de Spinon”.
Contactando a un colaborador teórico en el MIT, los investigadores descubrieron que cuando se inyecta un electrón en una QSL desde la punta de un STM, se rompe dentro de la QSL en dos partes. Estas dos partes son spinons y chargons, y es el resultado de la forma en que interactúan entre sí spin y charge en una QSL. Mientras que las partículas de espín llevan el espín por separado, las cargas cargan por separado la carga eléctrica.
“Experiencia fuera del cuerpo”
Las imágenes STM/STS demostraron que las cargas se congelan en su lugar y forman lo que los científicos llaman una onda de densidad de carga de estrella de David. Al mismo tiempo, los espines tienen una “experiencia fuera del cuerpo” cuando se separan de las cargas y se mueven libremente a través del material.
“Esto es inusual ya que en un material convencional, los electrones llevan tanto el espín como la carga combinados en una partícula mientras se mueven”, dijo Crommie. “Normalmente no se separan de esta manera divertida”.
Crommie también dice que las QSL podrían formar la base de bits cuánticos robustos, o qubits, que son los componentes básicos de la computación cuántica. La computación convencional se basa en una información de codificación de bits como cero o uno, pero los qubits pueden contener ambos valores simultáneamente. Esto da como resultado cálculos mucho más rápidos y, al comprender el comportamiento de los spinons y los chargens en las QSL, los científicos podrían usar esto para avanzar en la computación de próxima generación.
Los científicos también dicen que al obtener una visión más profunda de las QSL, podrían actuar como precursores de la superconductividad exótica, por lo que Crommie probará la predicción en el ALS.
“Parte de la belleza de este tema es que todas las interacciones complejas dentro de una QSL de alguna manera se combinan para formar una partícula fantasma simple que simplemente rebota dentro del cristal”, dijo. “Ver este comportamiento fue bastante sorprendente, especialmente porque ni siquiera lo estábamos buscando”.