Los científicos han tomado la imagen más clara hasta ahora de las partículas electrónicas que forman un misterioso estado magnético llamado líquido de espín cuántico (QSL).

El logro podría facilitar el desarrollo de computadoras cuánticas ultrarrápidas y superconductores energéticamente eficientes.

Los científicos son los primeros en capturar una imagen de cómo los electrones en una QSL se descomponen en partículas similares a espines llamadas espinones y partículas similares a cargas llamadas chargones.

"Otros estudios han visto varias huellas de este fenómeno, pero tenemos una imagen real del estado en el que vive el spinon. Esto es algo nuevo "dijo el líder del estudio Mike Crommie, un científico de la facultad senior en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor de física en la UC.

"Los espinones son como partículas fantasmas. Son como el Big Foot de la física cuántica; la gente dice que los ha visto, pero es difícil probar que existen "dijo el coautor Sung-Kwan Mo, un científico del personal en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. "Con nuestro método, hemos proporcionado algunas de las mejores pruebas hasta la fecha".

Una captura sorpresa de una onda cuántica.

En una QSL, los espinones se mueven libremente transportando calor y giro, pero sin carga eléctrica. Para detectarlos, la mayoría de los investigadores se han basado en técnicas que buscan sus firmas de calor.

Ahora, como se informa en la revista Física de la naturaleza , Crommie, Mes, y sus equipos de investigación han demostrado cómo caracterizar los espinones en las QSL imaginando directamente cómo se distribuyen en un material.

Para comenzar el estudio, El grupo de Mo en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab cultivó muestras de una sola capa de diselenuro de tantalio (1T-TaSe ₂ ) que tienen solo tres átomos de espesor. Este material es parte de una clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMDC). Los investigadores del equipo de Mo son expertos en epitaxia de haces moleculares, una técnica para sintetizar cristales de TMDC atómicamente delgados a partir de sus elementos constituyentes.

Luego, el equipo de Mo caracterizó las películas delgadas mediante espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo, una técnica que utiliza rayos X generados en la ELA.

Usando una técnica de microscopía llamada microscopía de túnel de barrido (STM), investigadores del laboratorio de Crommie, incluidos los coautores Wei Ruan, un becario postdoctoral en ese momento, y Yi Chen, luego, un estudiante de posgrado de UC Berkeley, inyectó electrones de una aguja de metal en la muestra de TMDC de diselenuro de tantalio.

Las imágenes recopiladas por espectroscopia de túnel de barrido (STS), una técnica de imágenes que mide cómo las partículas se organizan en una energía particular, revelaron algo bastante inesperado:una capa de ondas misteriosas que tienen longitudes de onda superiores a un nanómetro (mil millonésima parte de un metro) que cubre el material. superficie.

"Las longitudes de onda largas que vimos no se correspondían con ningún comportamiento conocido del cristal, "Crommie dijo." 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 a una. Poco sabíamos que esta era la firma de las partículas fantasma de spinon ".

Cómo los espinones toman vuelo mientras los chargones se detienen

Con la ayuda de un colaborador teórico del MIT, los investigadores se dieron cuenta de que cuando se inyecta un electrón en una QSL desde la punta de un STM, se rompe en dos partículas diferentes dentro de la QSL:espinones (también conocidos como partículas fantasma) y chargones. Esto se debe a la forma peculiar en la que el giro y la carga en una QSL interactúan colectivamente entre sí. Las partículas fantasma de espín terminan llevando el espín por separado, mientras que los carros portan por separado la carga eléctrica.

En el estudio actual, Las imágenes STM / STS muestran que los chargons se congelan en su lugar, formando lo que los científicos llaman una onda de densidad de carga de estrella de David. Mientras tanto, Los espinones experimentan una "experiencia extracorporal" cuando se separan de los cargones inmovilizados y se mueven libremente a través del material. Dijo Crommie. "Esto es inusual ya que en un material convencional, los electrones llevan ambos el giro y la carga combinados en una partícula a medida que se mueven, ", explicó." Por lo general, no se rompen de esta manera tan divertida ".

Crommie agregó que las QSL podrían algún día formar la base de los bits cuánticos robustos (qubits) utilizados para la computación cuántica. En la computación convencional, un bit codifica la información como un cero o un uno, pero un qubit puede contener tanto cero como uno al mismo tiempo, acelerando potencialmente ciertos tipos de cálculos. Comprender cómo se comportan los espinones y chargones en las QSL podría ayudar a avanzar en la investigación en esta área de la computación de próxima generación.

Otra motivación para comprender el funcionamiento interno de las QSL es que se ha predicho que serán un precursor de la superconductividad exótica. Crommie planea probar esa predicción con la ayuda de Mo en la 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 ".