Les scientifiques ont pris la photo la plus claire à ce jour des particules électroniques qui composent un mystérieux état magnétique appelé liquide de spin quantique (QSL).

Cette réalisation pourrait faciliter le développement d'ordinateurs quantiques ultrarapides et de supraconducteurs à haut rendement énergétique.

Les scientifiques sont les premiers à capturer une image de la façon dont les électrons d'une QSL se décomposent en particules de type spin appelées spinons et en particules de type charge appelées chargons.

"D'autres études ont vu diverses empreintes de ce phénomène, mais nous avons une image réelle de l'état dans lequel vit le spinon. C'est quelque chose de nouveau, " a déclaré le responsable de l'étude Mike Crommie, chercheur principal au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et professeur de physique à l'UC.

"Les spinons sont comme des particules fantômes. Ils sont comme le Big Foot de la physique quantique - les gens disent qu'ils les ont vus, mais il est difficile de prouver qu'ils existent, " a déclaré le co-auteur Sung-Kwan Mo, un scientifique du personnel de la source de lumière avancée de Berkeley Lab. "Avec notre méthode, nous avons fourni certaines des meilleures preuves à ce jour."

Une prise surprise d'une onde quantique

Dans une QSL, les spinons se déplacent librement en transportant de la chaleur et du spin, mais aucune charge électrique. Pour les détecter, la plupart des chercheurs se sont appuyés sur des techniques qui recherchent leurs signatures thermiques.

Maintenant, comme indiqué dans le journal Physique de la nature , Crommie, Mo, et leurs équipes de recherche ont démontré comment caractériser les spinons dans les QSL en imaginant directement comment ils sont distribués dans un matériau.

Pour commencer l'étude, Le groupe de Mo à l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab a cultivé des échantillons monocouches de diséléniure de tantale (1T-TaSe 2 ) qui n'ont que trois atomes d'épaisseur. Ce matériau fait partie d'une classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMDC). Les chercheurs de l'équipe de Mo sont experts en épitaxie par jets moléculaires, une technique pour synthétiser des cristaux de TMDC atomiquement minces à partir de leurs éléments constitutifs.

L'équipe de Mo a ensuite caractérisé les couches minces par spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, une technique qui utilise les rayons X générés à l'ALS.

En utilisant une technique de microscopie appelée microscopie à effet tunnel (STM), chercheurs du laboratoire Crommie, y compris les co-premiers auteurs Wei Ruan, stagiaire postdoctoral à l'époque, et Yi Chen, puis un étudiant diplômé de l'UC Berkeley a injecté des électrons à partir d'une aiguille métallique dans l'échantillon de diséléniure de tantale TMDC.

Les images recueillies par spectroscopie à effet tunnel (STS) - une technique d'imagerie qui mesure la façon dont les particules s'organisent à une énergie particulière - ont révélé quelque chose d'assez inattendu :une couche d'ondes mystérieuses ayant des longueurs d'onde supérieures à un nanomètre (1 milliardième de mètre) recouvrant le matériau surface.

"Les grandes longueurs d'onde que nous avons vues ne correspondaient à aucun comportement connu du cristal, " a déclaré Crommie. "Nous nous sommes longuement grattés la tête. Qu'est-ce qui pourrait causer de telles modulations de longueur d'onde dans le cristal ? Nous avons écarté une à une les explications conventionnelles. Nous ne savions pas que c'était la signature des particules fantômes spinon."

Comment les spinons prennent leur envol alors que les chargons restent immobiles

Avec l'aide d'un collaborateur théorique du MIT, les chercheurs ont réalisé que lorsqu'un électron est injecté dans une QSL depuis la pointe d'un STM, il se sépare en deux particules différentes à l'intérieur de la QSL :les spinons (également appelés particules fantômes) et les chargons. Cela est dû à la manière particulière dont le spin et la charge dans une QSL interagissent collectivement les uns avec les autres. Les particules fantômes de spinon finissent par porter séparément le spin tandis que les chargons portent séparément la charge électrique.

Dans l'étude actuelle, Les images STM/STS montrent que les charges gèlent en place, formant ce que les scientifiques appellent une onde de densité de charge de l'étoile de David. Pendant ce temps, les spinons subissent une « expérience hors du corps » lorsqu'ils se séparent des charges immobilisées et se déplacent librement à travers le matériau, dit Crommie. "C'est inhabituel puisque dans un matériau conventionnel, les électrons portent les deux le spin et la charge combinés en une seule particule lorsqu'ils se déplacent, " expliqua-t-il. " Ils ne se séparent généralement pas de cette drôle de façon. "

Crommie a ajouté que les QSL pourraient un jour constituer la base de bits quantiques robustes (qubits) utilisés pour l'informatique quantique. En informatique conventionnelle, un bit code l'information sous forme de zéro ou de un, mais un qubit peut contenir à la fois zéro et un, accélérer ainsi potentiellement certains types de calculs. Comprendre comment les spinons et les chargons se comportent dans les QSL pourrait aider à faire avancer la recherche dans ce domaine de l'informatique de nouvelle génération.

Une autre motivation pour comprendre le fonctionnement interne des QSL est qu'elles ont été prédites comme un précurseur de la supraconductivité exotique. Crommie prévoit de tester cette prédiction avec l'aide de Mo à l'ALS.

"Une partie de la beauté de ce sujet est que toutes les interactions complexes au sein d'une QSL se combinent d'une manière ou d'une autre pour former une simple particule fantôme qui rebondit à l'intérieur du cristal, " a-t-il dit. " Voir ce comportement était assez surprenant, d'autant plus qu'on ne le cherchait même pas."