Esquema da rede de spin triangular e padrão de onda de densidade de carga da estrela de David em uma monocamada de disseleneto de tântalo. Cada estrela consiste em 13 átomos de tântalo. Os giros localizados são representados por uma seta azul no centro da estrela. A função de onda dos elétrons localizados é representada por sombreamento cinza. Crédito:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Os cientistas tiraram a foto mais nítida até agora de partículas eletrônicas que compõem um misterioso estado magnético chamado líquido de spin quântico (QSL).
A conquista pode facilitar o desenvolvimento de computadores quânticos super-rápidos e supercondutores com eficiência energética.
Os cientistas são os primeiros a capturar uma imagem de como os elétrons em um QSL se decompõem em partículas semelhantes a spin, chamadas spinons, e partículas semelhantes a cargas, chamadas chargons.
"Outros estudos viram várias pegadas desse fenômeno, mas temos uma imagem real do estado em que vive o spinon. Isso é algo novo, "disse o líder do estudo Mike Crommie, cientista sênior do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professor de física da UC.
"Spinons são como partículas fantasmas. Eles são como o Pé Grande da física quântica - as pessoas dizem que os viram, mas é difícil provar que eles existem, "disse o co-autor Sung-Kwan Mo, um cientista da equipe do Berkeley Lab's Advanced Light Source. "Com nosso método, fornecemos algumas das melhores evidências até hoje."
Uma captura surpresa de uma onda quântica
Em um QSL, spinons movem-se livremente carregando calor e spin - mas sem carga elétrica. Para detectá-los, a maioria dos pesquisadores confiou em técnicas que procuram suas assinaturas de calor.
Imagem de microscopia de varredura por tunelamento de uma amostra de disseleneto de tântalo com apenas 3 átomos de espessura. Crédito:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Agora, conforme relatado no jornal Física da Natureza , Crommie, Mo, e suas equipes de pesquisa demonstraram como caracterizar spinons em QSLs por imagem direta de como eles são distribuídos em um material.
Para começar o estudo, O grupo de Mo na Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab cultivou amostras de camada única de disseleneto de tântalo (1T-TaSe 2 ) com apenas três átomos de espessura. Este material faz parte de uma classe de materiais chamada dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs). Os pesquisadores da equipe de Mo são especialistas em epitaxia por feixe molecular, uma técnica para sintetizar cristais TMDC atomicamente finos a partir de seus elementos constituintes.
A equipe de Mo então caracterizou os filmes finos por meio de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido, uma técnica que usa raios-X gerados no ALS.
Usando uma técnica de microscopia chamada microscopia de tunelamento de varredura (STM), pesquisadores do laboratório Crommie - incluindo os co-primeiros autores Wei Ruan, um pós-doutorado na época, e Yi Chen, em seguida, um estudante de graduação da UC Berkeley - injetou elétrons de uma agulha de metal na amostra de disseleneto de tântalo TMDC.
Imagens coletadas por espectroscopia de tunelamento de varredura (STS) - uma técnica de imagem que mede como as partículas se organizam em uma determinada energia - revelaram algo bastante inesperado:uma camada de ondas misteriosas com comprimentos de onda maiores que um nanômetro (1 bilionésimo de metro) cobrindo o material superfície.
"Os longos comprimentos de onda que vimos não correspondiam a nenhum comportamento conhecido do cristal, "Crommie disse." Nós coçamos nossas cabeças por um longo tempo. O que poderia causar tais modulações de comprimento de onda no cristal? Descartamos as explicações convencionais uma por uma. Mal sabíamos que esta era a assinatura de partículas fantasmas spinon. "
Ilustração de um elétron se partindo em partículas fantasmas de spin e carbonos dentro de um líquido quântico de spin. Crédito:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Como spinons levantam vôo enquanto os chargons ficam parados
Com a ajuda de um colaborador teórico do MIT, os pesquisadores perceberam que quando um elétron é injetado em um QSL a partir da ponta de um STM, ele se divide em duas partículas diferentes dentro do QSL - spinons (também conhecidas como partículas fantasmas) e chargons. Isso se deve à maneira peculiar como o spin e a carga em um QSL interagem coletivamente entre si. As partículas fantasmas de spinon acabam carregando separadamente o spin, enquanto os carregamentos carregam separadamente a carga elétrica.
No estudo atual, Imagens STM / STS mostram que as cargas congelam no lugar, formando o que os cientistas chamam de onda de densidade de carga estrela de David. Enquanto isso, os spinons passam por uma "experiência fora do corpo" à medida que se separam dos carregamentos imobilizados e se movem livremente através do material, Disse Crommie. "Isso é incomum, pois em um material convencional, elétrons carregam Ambas o spin e a carga combinados em uma partícula conforme se movem, "Ele explicou." Eles geralmente não se separam dessa maneira engraçada. "
Crommie acrescentou que os QSLs podem um dia formar a base de bits quânticos robustos (qubits) usados para computação quântica. Na computação convencional, um bit codifica as informações como zero ou um, mas um qubit pode conter zero e um ao mesmo tempo, assim, potencialmente acelerando certos tipos de cálculos. Compreender como spinons e chargons se comportam em QSLs pode ajudar no avanço da pesquisa nesta área da computação de última geração.
Outra motivação para entender o funcionamento interno dos QSLs é que eles foram previstos como precursores da supercondutividade exótica. Crommie planeja testar essa previsão com a ajuda de Mo no ALS.
"Parte da beleza deste tópico é que todas as interações complexas dentro de um QSL de alguma forma se combinam para formar uma partícula fantasma simples que simplesmente salta dentro do cristal, "disse ele." Ver este comportamento foi bastante surpreendente, especialmente porque não estávamos nem procurando por isso. "
