| +33 голоса |
|
Ученые получили самую четкую картину электронных частиц, которые составляют загадочное магнитное состояние, называемое квантовой спиновой жидкостью (КСЖ).
Это достижение может способствовать разработке сверхбыстрых квантовых компьютеров и энергоэффективных сверхпроводников.
Ученые первыми сделали снимок того, как электроны в КСЖ разделяются на спиноподобные частицы, называемые спинонами, и зарядоподобные частицы, называемые чаргонами (chargons).
«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 (Mike Crommie), старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и профессор физики в Калифорнийском университете.
«Спиноны похожи на призрачные частицы. Они похожи на Bigfoot (мифическое существо) квантовой физики - люди говорят, что видели их, но трудно доказать, что они существуют, - сказал соавтор Сун-Квань Мо (Sung-Kwan Mo), штатный научный сотрудник Усовершенствованный источник света лаборатории Беркли. - С помощью нашего метода мы предоставили одни из лучших доказательств на сегодняшний день».
В КСЖ 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 Nature Physics, Кромми, Мо и их исследовательские группы продемонстрировали, как охарактеризовать спиноны в КСЖ, непосредственно отображая, как они распределены в материале.
Чтобы начать исследование, группа Мо из Advanced Light Source (ALS) лаборатории в Беркли вырастила 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, методике 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.
Используя метод микроскопии, называемый сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), исследователи из лаборатории Кромми, в том числе соавторы Вэй Руань (Wei Ruan) и И Чень (Yi Chen), вводили электроны металлической иглой в образец TMDC диселенида тантала.
Изображения, полученные с помощью СТМ - метода визуализации, который измеряет, как частицы располагаются при определенной энергии - выявили кое-что совершенно неожиданное: покрывающий поверхность материала слой загадочных волн с длинами волн больше 1 нм.
«Длинные волны, которые мы видели, не соответствовали никакому известному поведению кристалла, - сказал Кромми. - Мы долго ломали голову. Что могло вызвать такие длинноволновые модуляции в кристалле? Мы одно за другим исключили общепринятые объяснения. Мы не догадывались, что это сигнатура спинонных частиц-призраков».
С помощью теоретика из Массачусетского технологического института исследователи поняли, что когда электрон вводится в КСЛ из зонда СТМ, он распадается на две разные частицы внутри КСЖ - спиноны (также известные как частицы-призраки) и чаргоны. Это происходит из-за своеобразного способа, которым спин и заряд в КСЖ коллективно взаимодействуют друг с другом. Призрачные частицы спиноны в конечном итоге по отдельности несут спин, в то время как чаргоны по отдельности несут электрический заряд.
В текущем исследовании изображения STM / STS показывают, что чаргоны 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 спин и заряд, объединенные в одной частице, когда они движутся, - объяснил он. - Обычно они не распадаются таким забавным образом».
Кромми добавил, что однажды КСЖ могут стать основой надежных квантовых битов (кубитов), используемых для квантовых вычислений. Понимание того, как спиноны и чаргоны ведут себя в КСЖ, может помочь продвинуть исследования в этой области вычислений следующего поколения.
Художественная иллюстрация призрачных частиц, движущихся в квантовой спиновой жидкости
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
| +33 голоса |
|
