二硒化钽单分子层中三角形自旋晶格和大卫星电荷密度波图的示意图。每颗恒星由13个钽原子组成。定域自旋由位于星点中心的蓝色箭头表示。定域电子的波函数用灰色阴影表示。来源:迈克·克罗米等人/伯克利实验室
科学家们拍摄了迄今为止最清晰的电子粒子照片，这些电子粒子构成了一种被称为量子自旋液体(QSL)的神秘磁态。
这一成就可能会促进超高速量子计算机和高效超导体的发展。
科学家们首次捕捉到QSL中的电子是如何分解为类自旋粒子(称为自旋)和类电荷粒子(称为电荷)的图像。
“其他研究已经看到了这一现象的各种足迹，但我们有一个纺丝生活状态的实际图片。这项研究的领导者、劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的资深教员科学家、加州大学的物理学教授迈克·克罗米说。
“自旋就像幽灵粒子。它们就像量子物理学中的大脚——人们说他们看到过它们，但很难证明它们的存在，”合著者Mo Sung-Kwan说，他是伯克利实验室高级光源的工作人员。“通过我们的方法，我们提供了一些迄今为止最好的证据。”
来自量子波的意外捕获
在QSL中，自旋带着热量和自旋自由运动，但不带电荷。为了探测它们，大多数研究人员都依赖于寻找它们的热信号的技术。
扫描隧道显微镜图像二硒化钽样品只有3个原子厚。来源:迈克·克罗米等人/伯克利实验室
现在，正如《自然物理学》杂志报道的那样，克伦米和他们的研究团队已经演示了如何通过直接成像它们在材料中的分布来描述QSLs中的自旋。
为了开始这项研究，Mo的团队在伯克利实验室的先进光源(ALS)培育了只有三个原子厚的二硒化钽(1T-TaSe2)单层样品。这种材料是过渡金属二卤族(TMDCs)材料的一部分。Mo团队的研究人员是分子束外延的专家，这是一种从组成元素合成原子薄TMDC晶体的技术。
然后，Mo的团队通过角度分辨光谱学对薄膜进行了表征，这是一种利用ALS产生的x射线的技术。
克罗米实验室的研究人员使用一种称为扫描隧道显微镜(STM)的显微镜技术，将金属针中的电子注入到钽二硒化TMDC样品中，其中包括当时的博士后研究员阮伟和当时的加州大学伯克利分校研究生陈义。
扫描隧道光谱学(STS)——一种测量粒子在特定能量下如何排列的成像技术——收集的图像揭示了一些意想不到的东西:一层波长大于一纳米(一米的十亿分之一)的神秘波覆盖了材料的表面。
“我们看到的长波长与晶体的任何已知行为并不相符，”克罗米说。我们挠了好长时间的头。是什么导致晶体的波长调制如此之长?我们一个一个地排除了传统的解释。我们当时并不知道这就是自旋幽灵粒子的特征。”
在量子自旋液体中，电子分裂成自旋子、鬼粒子和电荷的图解。来源:迈克·克罗米等人/伯克利实验室
旋转粒子如何在静止不动的情况下飞行
在麻省理工学院一位理论合作伙伴的帮助下，研究人员意识到，当一个电子从STM的尖端注入QSL时，它会在QSL内部分裂成两个不同的粒子——自旋粒子(也被称为鬼粒子)和电荷。这是由于旋转和电荷在QSL集体相互作用的特殊方式。自旋子幽灵粒子最终分别携带自旋，而电荷分别携带电荷。
在目前的研究中，STM/STS图像显示，电荷在原地冻结，形成了科学家们所说的“大卫之星”电荷密度波。与此同时，当自旋与固定电荷分离并在材料中自由移动时，它们经历了一种“体外体验”，克罗米说。他解释说:“这是不寻常的，因为在传统材料中，电子在移动时携带自旋和电荷结合成一个粒子。”“他们通常不会以这种有趣的方式分手。”
克罗米补充说，QSLs有朝一日可能会成为用于量子计算的稳健量子比特(qubits)的基础。在传统的计算中，一个比特可以将信息编码为0或1，但一个量子位可以同时包含0和1，因此可能会加速某些类型的计算。了解自旋和电荷在QSLs中的行为可以帮助推进下一代计算领域的研究。
理解QSLs内部工作机制的另一个动机是，它们被预测为奇异超导性的前兆。克罗米计划在肌萎缩性侧索硬化症患者莫的帮助下验证这一预测。
他说:“这个主题的部分美妙之处在于，QSL内部所有复杂的相互作用以某种方式结合起来，形成了一个简单的幽灵粒子，它只是在晶体内部反弹。”“看到这种行为非常令人惊讶，尤其是在我们甚至没有寻找它的情况下。”