Partikel eksotis ini memiliki pengalaman keluar dari tubuh; para ilmuwan ini mengambil gambarnya

Para ilmuwan telah menangkap gambar paling jelas dari partikel elektronik yang membentuk keadaan magnetik misterius yang disebut cairan spin kuantum (QSL).

Pencapaian tersebut dapat memfasilitasi pengembangan komputer kuantum super cepat dan superkonduktor hemat energi.

Para ilmuwan adalah yang pertama mendapatkan gambaran tentang bagaimana elektron dalam QSL terurai menjadi partikel seperti spin yang disebut spinon dan partikel seperti muatan yang disebut chargon.

“Penelitian lain telah melihat berbagai jejak fenomena ini, tetapi kami memiliki gambaran aktual tentang keadaan tempat spinon hidup. Ini adalah sesuatu yang baru, ”kata kepala penyelidik Mike Crommie, seorang ilmuwan senior di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab.). ) dan profesor fisika di UC.

“Spinon seperti partikel hantu. Mereka seperti kaki besar fisika kuantum – orang mengatakan mereka melihatnya, tetapi sulit untuk membuktikan bahwa mereka ada, ”kata rekan penulis Sung-Kwan Mo, seorang peneliti di Sumber Cahaya Lanjutan Berkeley dari Lab. “Dengan metode kami, kami telah memberikan beberapa bukti terbaik.”

Tangkapan mengejutkan dari gelombang kuantum

Dalam QSL, spinon bergerak bebas dan membawa panas dan putaran – tetapi tidak ada muatan listrik. Untuk mengidentifikasi mereka, sebagian besar peneliti mengandalkan teknik yang mencari tanda panas mereka.

Nah, seperti yang dilaporkan di majalah Fisika alam, Crommie, Mo dan tim riset mereka telah menunjukkan bagaimana spinon di QSL dapat dicirikan dengan memetakan secara langsung bagaimana mereka didistribusikan dalam suatu material.

Untuk memulai penelitian, kelompok Mos di Advanced Light Source (ALS) Berkeley Lab menumbuhkan sampel lapisan tunggal tantalum diselenide (1T-TaSe₂) yang tebalnya hanya tiga atom. Bahan ini termasuk dalam kelas bahan yang disebut dichalcogenides logam transisi (TMDCs). Para peneliti di tim Mo adalah ahli dalam Epitaksi berkas molekul, teknik untuk sintesis kristal TMDC yang tipis secara atom dari komponennya.

Tim Mo kemudian mengkarakterisasi film tipis dengan menggunakan resolusi sudut Spektroskopi fotoemisi, teknik yang menggunakan sinar-X yang dihasilkan di ALS.

Menggunakan teknik mikroskop yang disebut scanning tunneling microscopy (STM), para peneliti di laboratorium Crommie – termasuk penulis pertama Wei Ruan, kemudian rekan postdoctoral, dan Yi Chen, kemudian seorang mahasiswa doktoral di UC Berkeley – menyuntikkan elektron dari jarum logam ke dalam sampel TMDC tantalum diselenide.

Gambar yang dikumpulkan melalui scanning tunneling spectroscopy (STS) – proses pencitraan yang mengukur bagaimana partikel mengatur diri mereka sendiri pada energi tertentu – menunjukkan sesuatu yang sama sekali tidak terduga: lapisan gelombang misterius dengan panjang gelombang lebih besar dari satu nanometer (1 miliar meter) menutupi permukaan dari permukaan bahan.

“Panjang gelombang panjang yang kami lihat tidak sesuai dengan perilaku kristal yang diketahui,” kata Crommie. “Kami menggaruk-garuk kepala untuk waktu yang lama. Apa yang dapat menyebabkan modulasi gelombang panjang dalam kristal? Kami mengesampingkan penjelasan konvensional satu per satu. Kami tidak tahu bahwa ini adalah tanda partikel hantu Spinon.”

Bagaimana spinon terbang saat kumpulan tidak bergerak

Dengan bantuan rekan teoretis di MIT, para peneliti menemukan bahwa ketika sebuah elektron disuntikkan ke QSL dari ujung STM, elektron itu pecah menjadi dua partikel berbeda di dalam QSL – spinon (juga dikenal sebagai partikel hantu) dan chargon. Ini karena cara khusus di mana putaran dan muatan berinteraksi secara kolektif dalam QSL. Pada akhirnya, partikel hantu spinon membawa putaran secara terpisah, sedangkan muatan membawa muatan listrik secara terpisah.

Dalam studi saat ini, gambar STM / STS menunjukkan bahwa muatan membeku di tempat dan membentuk apa yang dikenal sebagai gelombang kerapatan muatan Bintang Daud. Sementara itu, Spinons sedang mengalami “kehabisanPengalaman tubuh“karena mereka terpisah dari muatan yang tidak bergerak dan bergerak bebas melalui materi, kata Crommie.” Ini tidak biasa karena elektron membawa elektron dalam materi konvensional keduanya putaran dan muatan digabungkan menjadi satu partikel saat mereka bergerak, “jelasnya.” Mereka biasanya tidak pecah dengan cara yang aneh itu.

Crommie menambahkan bahwa QSL suatu hari nanti dapat meletakkan dasar untuk bit kuantum (qubit) yang kuat yang digunakan dalam komputer kuantum. Dalam komputasi tradisional, bit mengkodekan informasi sebagai nol atau satu, tetapi qubit dapat berisi nol dan satu pada saat yang sama, yang dapat mempercepat jenis komputasi tertentu. Memahami bagaimana spinon dan chargon berperilaku di QSL dapat memajukan penelitian di bidang komputasi generasi berikutnya ini.

Motivasi lain untuk memahami cara kerja bagian dalam QSL adalah bahwa mereka diprediksi menjadi pendahulu superkonduktivitas eksotis. Crommie berencana untuk menguji prediksi ini dengan bantuan Mo dengan ALS.

“Bagian dari keindahan subjek ini adalah bahwa semua interaksi kompleks dalam QSL entah bagaimana bergabung menjadi partikel hantu sederhana yang hanya memantul di dalam kristal,” katanya. “Melihat perilaku ini cukup mengejutkan, terutama karena kami bahkan tidak mencarinya.”