Home Tecnología Los científicos se topan con un nuevo hallazgo que podría hacer avanzar la computación cuántica

Los científicos se topan con un nuevo hallazgo que podría hacer avanzar la computación cuántica

by notiulti

Los científicos del DOE y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley tuvieron un hallazgo inesperado que podría ayudar a avanzar en el campo de computadoras cuánticas y superconductores de alta temperatura. El equipo tomó la imagen más clara hasta ahora de las partículas electrónicas que forman 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 similares a espines, y chargones, partículas similares a cargas.

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 espinones son como partículas fantasma. Son como el Big Foot de la física cuántica: la gente dice que los ha visto, pero es difícil probar que existen ”, dijo Mo.“ Con nuestro método, hemos proporcionado algunas de las mejores pruebas hasta la fecha ”.

Detectando espinones

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 firmas de calor para detectar espinones.

El equipo pudo demostrar cómo caracterizar los espinones en las QSL imaginando directamente la forma en que se distribuyen en un material.

El equipo comenzó el estudio cultivando muestras de una sola capa de diselenuro 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 haz molecular, que es una técnica para sintetizar cristales de TMDC atómicamente delgados a partir de sus elementos constituyentes.

Luego, el equipo caracterizó las películas delgadas mediante una técnica que utiliza rayos X generados en el ASL. Esta técnica se denomina espectroscopia de fotoemisión de resolución angular.

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 diselenida 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 el escaneo de espectroscopía de túnel (STS), que es una técnica de imágenes 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 longitudes de onda largas que vimos no se correspondían con 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 a una. Poco sabíamos que esta era la firma de las partículas fantasma de spinon “.

Al comunicarse con un colaborador teórico del 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 espinones y chargones, y es el resultado de la forma en que el giro y la carga en una QSL interactúan entre sí. Mientras que las partículas de spinon llevan el spin por separado, los chargons llevan la carga eléctrica por separado.

“Experiencia fuera del cuerpo”

Las imágenes STM / STS demostraron que los chargons 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 espinones tienen una “experiencia extracorporal” cuando se separan de los chargones y se mueven libremente a través del material.

“Esto es inusual ya que en un material convencional, los electrones transportan tanto el giro como la carga combinados en una partícula a medida que se mueven”, dijo Crommie. “No suelen romperse de esta manera tan divertida”.

Crommie también dice que las QSL podrían formar la base de bits cuánticos robustos, o qubits, que son los bloques de construcción fundamentales 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 espinones y chargones 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 un precursor de la superconductividad exótica, por lo que Crommie probará la predicción 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”.

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