Os cientistas tiraram a foto mais na­tida atéagora departículas eletra´nicas que compõem um misterioso estado magnético chamado la­quido de spin qua¢ntico (QSL).

A conquista pode facilitar o desenvolvimento de computadores qua¢nticos super-ra¡pidos e supercondutores com eficiência energanãtica.

Os cientistas são os primeiros a capturar uma imagem de como os elanãtrons em um QSL se decompõem empartículas semelhantes a spin, chamadas spinons, epartículas semelhantes a cargas, chamadas chargons.

"Outros estudos observaram várias pegadas desse fena´meno, mas temos uma imagem real do estado em que vive o spinon. Isso éalgo novo", disse o lider do estudo Mike Crommie, cientista saªnior do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab ) e professor de física da UC.

"Spinons são comopartículas fantasmas. Eles são como o PéGrande da física qua¢ntica - as pessoas dizem que os viram, mas édifa­cil provar que eles existem", disse o coautor Sung-Kwan Mo, cientista da equipe de Berkeley Fonte de luz avana§ada do laboratório. "Com nosso manãtodo, fornecemos algumas das melhores evidaªncias atéhoje."

Em um QSL, os spinons se movem livremente carregando calor e spin - mas sem carga elanãtrica. Para detecta¡-los, a maioria dos pesquisadores confiou em técnicas que procuram suas assinaturas de calor.

Agora, conforme relatado na revista Nature Physics , Crommie, Mo, e suas equipes de pesquisa demonstraram como caracterizar spinons em QSLs por imagem direta de como eles são distribua­dos em um material.

Para comea§ar o estudo, o grupo de Mo no Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) cultivou amostras de camada única de disseleneto de ta¢ntalo (1T-TaSe 2 ) com apenas três a¡tomos de espessura. Este material faz parte de uma classe de materiais chamada dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs). Os pesquisadores da equipe de Mo são especialistas em epitaxia por feixe molecular , uma técnica para sintetizar cristais TMDC atomicamente finos a partir de seus elementos constituintes.

A equipe de Mo então caracterizou os filmes finos por meio de espectroscopia de fotoemissão de a¢ngulo resolvido , uma técnica que usa raios-X gerados no ALS.

Usando uma técnica de microscopia chamada microscopia de tunelamento de varredura (STM), os pesquisadores do laboratório Crommie - incluindo os coautores Wei Ruan, um pa³s-doutorando na anãpoca, e Yi Chen, então um estudante graduado da UC Berkeley - injetaram elanãtrons de uma agulha de metal na amostra de diseleneto de ta¢ntalo TMDC.

"Os longos comprimentos de onda que vimos não correspondiam a nenhum comportamento conhecido do cristal", disse Crommie. "Coa§amos nossas cabea§as por um longo tempo. O que poderia causar tais modulações de comprimento de onda no cristal? Na³s descartamos as explicações convencionais uma por uma. Mal saba­amos que esta era a assinatura departículas fantasmas spinon."

Com a ajuda de um colaborador tea³rico do MIT, os pesquisadores perceberam que quando um elanãtron éinjetado em um QSL a partir da ponta de um STM, ele se divide em duaspartículas diferentes dentro do QSL - spinons (também conhecidos comopartículas fantasmas) e chargons. Isso se deve a  maneira peculiar como o spin e a carga em um QSL interagem coletivamente entre si. Aspartículas fantasmas de spinon acabam carregando separadamente o spin, enquanto os carregamentos carregam separadamente a carga elanãtrica.

No estudo atual, as imagens STM / STS mostram que as cargas congelam no lugar, formando o que os cientistas chamam de onda de densidade de carga estrela-de-David. Enquanto isso, os spinons passam por uma " experiência fora do corpo " a  medida que se separam dos carregamentos imobilizados e se movem livremente pelo material, disse Crommie. "Isso éincomum, pois em um material convencional, os elanãtrons carregam tanto o spin quanto a carga combinados em uma parta­cula conforme se movem", explicou ele. "Eles geralmente não se separam dessa maneira engraçada."

Crommie acrescentou que os QSLs podem um dia formar a base de bits qua¢nticos robustos (qubits) usados ​​para computação qua¢ntica. Na computação convencional, um bit codifica as informações como zero ou um, mas um qubit pode conter zero e um ao mesmo tempo, potencialmente acelerando certos tipos de ca¡lculos. Entender como spinons e chargons se comportam em QSLs pode ajudar no avanço da pesquisa nesta área da computação de última geração.

Outra motivação para entender o funcionamento interno dos QSLs éque eles foram previstos como precursores da supercondutividade exa³tica. Crommie planeja testar essa previsão com a ajuda de Mo no ALS.

"Parte da beleza deste ta³pico éque todas as interações complexas dentro de um QSL de alguma forma se combinam para formar uma parta­cula fantasma simples que simplesmente salta dentro do cristal", disse ele. "Ver esse comportamento foi bastante surpreendente, especialmente porque nem esta¡vamos procurando por ele."