Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron neutrones para descubrir comportamientos novedosos en materiales que son prometedores para la computación cuántica. Los hallazgos, publicados en Materiales de la naturaleza , proporcionar evidencia de fenómenos buscados desde hace mucho tiempo en un imán bidimensional.
En 2006, el físico Alexei Kitaev desarrolló un modelo teórico de imanes microscópicos "espines" que interactúan de una manera que conduce a un estado desordenado llamado líquido de espín cuántico. Este "líquido de espín cuántico de Kitaev" admite excitaciones magnéticas equivalentes aFermiones de Majorana: partículas que son inusuales porque son sus propias antipartículas.
La presencia de fermiones de Majorana es de gran interés debido a su uso potencial como base para un qubit, el componente esencial de las computadoras cuánticas.
Los materiales magnéticos familiares exhiben excitaciones magnéticas llamadas "ondas de espín" que ocurren en grumos cuantificados, pero en el líquido de espín cuántico de Kitaev, los grumos se dividen y las excitaciones de Majorana se denominan "fraccionadas".
Los científicos han teorizado que las interacciones de Kitaev existen en la naturaleza en ciertos materiales que contienen iones magnéticos que exhiben un fuerte acoplamiento entre el espín de electrones y el momento angular orbital. Arnab Banerjee, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en ORNL, explicó de esa maneraobservar la física del líquido de rotación en dicho material es "salpicar" o excitar el líquido usando dispersión de neutrones.
Banerjee y sus colegas de ORNL y la Universidad de Tennessee, trabajando con colaboradores del Instituto Max Planck en Dresden, Alemania y la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, utilizaron la técnica de "salpicadura" para investigar un material bidimensional similar al grafeno,tricloruro de alfa-rutenio.Los neutrones que brillan y se dispersan del material pueden depositar pequeñas cantidades de energía que crean excitaciones magnéticas.
Se descubrió que la forma de las excitaciones magnéticas creadas en el tricloruro de alfa-rutenio? Era diferente de las ondas de espín que se ven en los imanes ordinarios, pero estaba muy bien adaptada al espectro previsto para los fermiones de Majorana esperados en el líquido de espín cuántico de Kitaev.
"El concepto de fermión Majorana se originó en la física fundamental de partículas de alta energía, pero vimos sus firmas en un material de estado sólido a temperaturas modestas", dijo Banerjee. "La dispersión de neutrones no solo proporcionó el 'chapoteo' que necesitábamos para verlos,pero también midió directamente las excitaciones magnéticas resultantes.
El instrumento SEQUOIA de la fuente de neutrones de espalación es el más adecuado para esta investigación porque el rango de energía y el impulso al que se puede acceder con el instrumento coincide perfectamente con el régimen donde aparecen los fermiones de Majorana ".
"La observación de estas excitaciones fraccionadas es realmente notable", dijo Steve Nagler, director de la División de Materia Condensada Cuántica en ORNL y co-corresponsal del artículo. "Recientemente ha habido un gran impulso para ver si el giro cuántico de Kitaevla física líquida se puede encontrar en los materiales. El tiempo dirá si esto representa un primer paso en el camino hacia una nueva tecnología qubit ".
El experimento requirió muestras extremadamente puras que fueron preparadas por Banerjee y Craig Bridges de ORNL. La interpretación de los experimentos fue ayudada por las predicciones teóricas de los miembros del equipo Roderich Moessner del Instituto Max Planck y Johannes Knolle de Cambridge y sus colegas.
"Este estudio demostró que los materiales de celosía de panal adecuados pueden tener las excitaciones exóticas buscadas por la comunidad científica, potencialmente acercándonos a la visión de Kitaev de información cuántica protegida topológicamente", dijo Alan Tennant, científico jefe de Ciencias de Neutrones en ORNLy un coautor del artículo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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