Schema del reticolo di spin triangolare e modello d'onda della densità di carica della stella di David in un monostrato di diseleniuro di tantalio. Ogni stella è composta da 13 atomi di tantalio. Gli spin localizzati sono rappresentati da una freccia blu al centro della stella. La funzione d'onda degli elettroni localizzati è rappresentata dall'ombreggiatura grigia. Credito:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Gli scienziati hanno ottenuto l'immagine più chiara mai vista delle particelle elettroniche che costituiscono un misterioso stato magnetico chiamato liquido di spin quantistico (QSL).
Il risultato potrebbe facilitare lo sviluppo di computer quantistici superveloci e superconduttori ad alta efficienza energetica.
Gli scienziati sono i primi a catturare un'immagine di come gli elettroni in una QSL si decompongono in particelle simili a spin chiamate spinoni e particelle simili a cariche chiamate cargoni.
"Altri studi hanno visto varie impronte di questo fenomeno, ma abbiamo un'immagine reale dello stato in cui vive lo spinone. Questo è qualcosa di nuovo, " ha detto il leader dello studio Mike Crommie, uno scienziato senior della facoltà al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professore di fisica all'UC.
"Gli spinoni sono come particelle fantasma. Sono come il Big Foot della fisica quantistica:la gente dice di averli visti, ma è difficile dimostrare che esistono, " ha detto il co-autore Sung-Kwan Mo, uno scienziato del personale all'Advanced Light Source del Berkeley Lab. "Con il nostro metodo abbiamo fornito alcune delle migliori prove fino ad oggi".
Una cattura a sorpresa da un'onda quantistica
In una QSL, gli spinoni si muovono liberamente trasportando calore e spin, ma nessuna carica elettrica. Per rilevarli, la maggior parte dei ricercatori si è affidata a tecniche che cercano le loro firme di calore.
Immagine al microscopio a effetto tunnel di scansione di un campione di diseleniuro di tantalio con uno spessore di soli 3 atomi. Credito:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Ora, come riportato sulla rivista Fisica della natura , Crommia, Mo, e i loro team di ricerca hanno dimostrato come caratterizzare gli spinoni nelle QSL visualizzando direttamente come sono distribuiti in un materiale.
Per iniziare lo studio, Il gruppo di Mo presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab ha coltivato campioni a strato singolo di diseleniuro di tantalio (1T-TaSe 2 ) che hanno uno spessore di soli tre atomi. Questo materiale fa parte di una classe di materiali chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC). I ricercatori del team di Mo sono esperti in epitassia a fasci molecolari, una tecnica per sintetizzare cristalli TMDC atomicamente sottili dai loro elementi costitutivi.
Il team di Mo ha quindi caratterizzato i film sottili attraverso la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta, una tecnica che utilizza i raggi X generati presso la SLA.
Utilizzando una tecnica di microscopia chiamata microscopia a effetto tunnel (STM), ricercatori nel laboratorio Crommie, inclusi i co-primi autori Wei Ruan, un borsista post-dottorato all'epoca, e Yi Chen, poi uno studente laureato alla UC Berkeley ha iniettato elettroni da un ago di metallo nel campione di diseleniuro di tantalio TMDC.
Le immagini raccolte mediante la spettroscopia a effetto tunnel (STS) - una tecnica di imaging che misura il modo in cui le particelle si dispongono a una particolare energia - hanno rivelato qualcosa di abbastanza inaspettato:uno strato di onde misteriose con lunghezze d'onda maggiori di un nanometro (1 miliardesimo di metro) che ricopre il materiale superficie.
"Le lunghe lunghezze d'onda che abbiamo visto non corrispondevano a nessun comportamento noto del cristallo, " Crommie ha detto. "Ci siamo grattati la testa per molto tempo. Cosa potrebbe causare tali modulazioni di lunghezza d'onda nel cristallo? Abbiamo escluso le spiegazioni convenzionali una per una. Non sapevamo che questa fosse la firma delle particelle fantasma dello spinone".
Illustrazione di un elettrone che si scompone in particelle fantasma di spinone e cariche all'interno di un liquido di spin quantistico. Credito:Mike Crommie et al./Berkeley Lab
Come gli spinoni prendono il volo mentre i carri stanno fermi
Con l'aiuto di un collaboratore teorico del MIT, i ricercatori si sono resi conto che quando un elettrone viene iniettato in una QSL dalla punta di un STM, si scompone in due diverse particelle all'interno della QSL:spinon (noti anche come particelle fantasma) e chargon. Ciò è dovuto al modo particolare in cui rotazione e carica in una QSL interagiscono collettivamente tra loro. Le particelle fantasma dello spinone finiscono per trasportare separatamente lo spin mentre le cariche portano separatamente la carica elettrica.
Nello studio attuale, Le immagini STM/STS mostrano che le cariche si bloccano sul posto, formando quella che gli scienziati chiamano un'onda di densità di carica della stella di David. Nel frattempo, gli spinoni subiscono una "esperienza extracorporea" mentre si separano dai carichi immobilizzati e si muovono liberamente attraverso il materiale, disse Crommie. "Questo è insolito poiché in un materiale convenzionale, gli elettroni trasportano entrambi lo spin e la carica combinati in una particella mentre si muovono, " ha spiegato. "Di solito non si rompono in questo modo divertente."
Crommie ha aggiunto che le QSL potrebbero un giorno costituire la base di robusti bit quantistici (qubit) utilizzati per l'informatica quantistica. Nel calcolo convenzionale un bit codifica le informazioni come zero o uno, ma un qubit può contenere sia zero che uno allo stesso tempo, quindi potenzialmente velocizzando alcuni tipi di calcoli. Capire come si comportano spinon e addebiti nelle QSL potrebbe aiutare a far progredire la ricerca in quest'area dell'informatica di nuova generazione.
Un'altra motivazione per comprendere il funzionamento interno delle QSL è che si prevede che siano un precursore della superconduttività esotica. Crommie prevede di testare quella previsione con l'aiuto di Mo alla SLA.
"Parte della bellezza di questo argomento è che tutte le complesse interazioni all'interno di una QSL in qualche modo si combinano per formare una semplice particella fantasma che rimbalza all'interno del cristallo, " ha detto. "Vedere questo comportamento è stato abbastanza sorprendente, soprattutto perché non lo stavamo nemmeno cercando".
