（ChinaIT.com讯）科学家们拍摄了迄今为止最清晰的电子粒子照片，这些粒子构成了一种称为量子自旋液体 (QSL) 的神秘磁态。

这一成果可以促进高速量子计算机和节能超导体的发展。

科学家们率先捕捉到了 QSL 中的电子如何分解成类自旋粒子（称为自旋子）和类电荷粒子（称为电荷子）的图像。

劳伦斯伯克利国家实验室（简称伯克利实验室）的资深科学家、加州大学物理学教授 Mike Crommie 表示：“虽然其他研究已经看到了这种现象的种种痕迹，但我们对自旋子所处的状态有一个真实的了解。这是新的东西。”

伯克利实验室高级光源研究人员、共同作者 Sung-Kwan Mo 表示：“自旋子就像幽灵粒子。它们就像量子物理学的大脚——人们说看到了它们，但很难证明它们的存在。”“通过我们的方法，我们提供了一些迄今为止最好的证据。”

来自量子波的意外收获

在 QSL 中，自旋子可以自由移动，携带热量和自旋——但不带电荷。为了检测它们，大多数研究人员都依赖于寻找自璇子热特征的技术。

现在，正如《自然物理学》杂志所报道的，Crommie、Mo 和他们的研究团队已经展示了如何通过直接成像 QSL 中的自旋子在材料中的分布来表征它们。

为了开始这项研究，Mo 的团队在伯克利实验室的高级光源 (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硫属化物 (TMDC) 材料的一部分。Mo 团队的研究人员都是分子束外延（一种从组成元素合成原子级薄 TMDC 晶体的技术）方面的专家。

然后，Mo 的团队通过角分辨光电子能谱（一种使用 ALS 产生的 X 射线的技术）对薄膜进行了表征。

通过使用一种称为扫描隧道显微镜 (STM) 的显微镜技术，Crommie 实验室的研究人员——包括共同第一作者、当时的博士后研究员 Wei Ruan 和加州大学伯克利分校的研究生 Yi Chen——将金属针中的电子注入到二硒化钽 TMDC 样品中。

通过扫描隧道谱 (STS) 收集的图像——一种测量粒子在特定能量下如何排列的成像技术——揭示了一些非常出乎意料的事情：一层波长大于一纳米（十亿分之一米）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都不相符，”Crommie 说。“我们困惑了很长时间。是什么导致了晶体中如此长的波长调制？我们一一排除了传统的解释。我们并不知道这是自旋子幽灵粒子的特征。”

当电荷子静止不动时，自旋子如何飞行

在麻省理工学院一位理论合作者的帮助下，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 内分裂成两种不同的粒子——自旋子（也称为幽灵粒子）和电荷子。这是由于 QSL 中自旋和电荷共同相互作用的特殊方式。自旋幽灵粒子最终单独携带自旋，而电荷单独携带电荷子。

在目前的研究中，STM/STS 图像显示电荷子在原地冻结，形成了科学家所说的大卫之星电荷密度波。与此同时，当自旋子与固定的电荷子分离并在材料中自由移动时，它们会经历“体外体验”，Crommie 说。“这是不同寻常的，因为在传统材料中，电子在移动时携带自旋和电荷并结合成一个粒子，”他解释道，“他们通常不会以这种有趣的方式分开。”

Crommie 补充道，有朝一日 QSL 可能会成为用于量子计算的稳健量子位 (qubits) 的基础。 在传统计算中，一个比特将信息编码为 0 或 1，但一个量子比特可以同时保存 0 和 1，因此可能会加速某些类型的计算。了解自旋子和电荷子在 QSL 中的行为可以帮助推进下一代计算领域的研究。

理解 QSL 内部工作机制的另一个动机是，它们被预测为奇异超导的先驱。Crommie 计划在 Mo 的帮助下在 ALS 测试该预测。

“这个话题的部分美妙之处在于，QSL 中所有复杂的相互作用以某种方式结合起来，形成一个简单的幽灵粒子，它只是在晶体内部反弹，”他说。“看到这种行为非常令人惊讶，尤其是我们根本没去寻找它。”

来源：ScienceDaily