科学家拍到：奇特粒子的离体现象

二硒化钽单层中的三角形自旋晶格和大卫之星电荷密度波模式的示意图。每颗恒星由13个钽原子组成。局部自旋由星中心的蓝色箭头表示。局域电子的波函数用灰色阴影表示。图片来源：Mike Crommie 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照片，这些粒子构成了一种称为量子自旋液体 (QSL) 的奇特磁态。

       这一成果可以促进超快量子计算机和节能超导体的发展。

       科学家们首先捕捉到 QSL 中的电子如何分解为称为自旋子的类自旋粒子和称为电荷的类电荷粒子。

        劳伦斯·伯克利国家实验室（伯克利实验室）的资深科学家和加州大学的物理学教授迈克·克罗米说：“虽然其它研究已经看到了这种现象的各种印记，但我们对旋子所处的状态有一个真实的了解，这是新的东西。”

        该论文的共同作者，伯克利实验室先进光源的研究人员Sung-Kwan Mo说:“自旋子像一种幽灵粒子,它们仿佛是量子物理学的大脚——人们说他们见过它们，但很难证明它们存在，”。“通过我们的方法，可以提供一些迄今为止最合理的证据。”

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。为了探测它们，大多数研究人员依赖于热信号技术寻找它们。

仅 3 个原子厚的二硒化钽样品的扫描隧道显微镜图像。图片来源：Mike Crommie 等人/伯克利实验室

       目前，正如《自然物理学》杂志报道的那样，Crommie，Mo和他们的研究团队已经证明如何通过直接成像自旋子在QSL 材料中的分布来表征它们。

       为了开始这项研究，伯克利实验室先进光源 (ALS) 的 Mo团队生长了厚度只有三个原子的二硒化钽单层样品(1T-TaSe2)。这种材料属于过渡金属硫化物（TMDC)材料。Mo 团队的研究人员是分子束外延方面的专家，分子束外延技术是一种从其组成元素合成原子级薄 TMDC 晶体的技术。

       然后，Mo 的团队通过角分辨光电子能谱法对薄膜进行了表征，这是一种使用 ALS 产生的 X 射线的技术。

       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，使用一种称为扫描隧道显微镜 (STM) 的显微镜技术———从金属针中注入电子到二硒化钽 TMDC 样品。

        通过扫描隧道光谱 (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。

        克罗米说：“我们看到的长波长与晶体的任何已知行为都不相符，”。“我们想了很长时间，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。我们几乎不知道这是自旋幽灵粒子的特征。”

电子在量子自旋液体内分裂成自旋幽灵粒子和电荷的图示。图片来源：Mike Crommie 等人/伯克利实验室

当电荷静止不动时，旋子如何飞行

       在麻省理工学院理论合作者的帮助下，研究人员意识到，当电子从 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。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。

       在目前的研究中，STM/STS 图像显示电荷在原地冻结，形成了科学家所说的大卫星电荷密度波。与此同时，当自旋子与固定的电荷分离并在材料中自由移动时，它们会经历“离体体验”，克罗米说。“这是不寻常的，因为在传统材料中，一个电子在移动时会同时携带自旋和电荷，”他解释。“它们通常不会以这种有趣的方式分裂。”

       Crommie 补充说，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 内部工作原理的另一个动机是，它们被预言是奇异超导的先驱。Crommie 计划在 ALS 的 Mo 的帮助下测试该预言。

        他说：“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，而它仅仅在晶体内部内运动，”。“看到这种行为非常令人惊讶，特别当我们没有找到它的时候。”