Natuurkundigen van het Institute for Quantum Information and Matter bij Caltech hebben het eerste driedimensionale kwantumvloeibaar kristal ontdekt - een nieuwe staat van materie die mogelijk toepassingen zal hebben in ultrasnelle kwantumcomputers van de toekomst.

"We hebben het bestaan ​​van een fundamenteel nieuwe toestand van materie ontdekt die kan worden beschouwd als een kwantumanaloog van een vloeibaar kristal, " zegt Caltech-assistent-professor natuurkunde David Hsieh, hoofdonderzoeker van een nieuwe studie die de bevindingen beschrijft in het nummer van 21 april van: Wetenschap . "Er zijn talloze klassen van zulke vloeibare kwantumkristallen die kunnen, in principe, bestaan; daarom, onze bevinding is waarschijnlijk het topje van een ijsberg."

Vloeibare kristallen vallen ergens tussen een vloeistof en een vaste stof in:ze zijn opgebouwd uit moleculen die vrij rondstromen alsof ze een vloeistof zijn, maar die allemaal in dezelfde richting zijn georiënteerd, als in een vaste stof. Vloeibare kristallen zijn te vinden in de natuur, zoals in biologische celmembranen. Alternatief, ze kunnen kunstmatig worden gemaakt, zoals die te vinden zijn in de lcd-schermen die gewoonlijk in horloges worden gebruikt, smartphones, televisies, en andere items met weergaveschermen.

In een "kwantum" vloeibaar kristal, elektronen gedragen zich als de moleculen in klassieke vloeibare kristallen. Dat is, de elektronen bewegen vrij rond, maar hebben toch een voorkeursstroomrichting. Het allereerste vloeibare kwantumkristal werd in 1999 ontdekt door Jim Eisenstein van Caltech, de Frank J. Roshek hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde. Het vloeibare kwantumkristal van Eisenstein was tweedimensionaal, wat betekent dat het beperkt was tot een enkel vlak in het gastheermateriaal - een kunstmatig gekweekt op galliumarsenide gebaseerd metaal. Dergelijke 2D-kwantumvloeibare kristallen zijn sindsdien gevonden in verschillende andere materialen, waaronder supergeleiders voor hoge temperaturen - materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand bij ongeveer -150 graden Celsius, die warmer is dan de bedrijfstemperaturen voor traditionele supergeleiders.

Johannes Harter, een postdoctoraal wetenschapper in het Hsieh-lab en hoofdauteur van de nieuwe studie, legt uit dat 2-D kwantum vloeibare kristallen zich op vreemde manieren gedragen. "Elektronen die in dit vlakke land leven, besluiten collectief om bij voorkeur langs de x-as te stromen in plaats van de y-as, ook al is er niets om de ene richting van de andere te onderscheiden, " hij zegt.

Nu Harter, Hsieh, en hun collega's van het Oak Ridge National Laboratory en de University of Tennessee hebben het eerste 3D-kwantumvloeibaar kristal ontdekt. Vergeleken met een 2D kwantum vloeibaar kristal, de 3D-versie is nog bizarder. Hier, de elektronen maken niet alleen onderscheid tussen de x, ja, en z-assen, maar ze hebben ook verschillende magnetische eigenschappen, afhankelijk van of ze naar voren of naar achteren stromen op een bepaalde as.

"Door een elektrische stroom door deze materialen te laten lopen, worden ze van niet-magneten omgezet in magneten, wat hoogst ongebruikelijk is, " zegt Hsieh. "Bovendien, in elke richting waar je stroom kunt laten stromen, de magnetische sterkte en magnetische oriëntatie verandert. Natuurkundigen zeggen dat de elektronen 'de symmetrie doorbreken' van het rooster."

Harter kwam de ontdekking eigenlijk toevallig tegen. Hij was oorspronkelijk geïnteresseerd in het bestuderen van de atomaire structuur van een metaalverbinding op basis van het element rhenium. Vooral, hij probeerde de structuur van het atomaire rooster van het kristal te karakteriseren met behulp van een techniek die optische tweede-harmonische rotatie-anisotropie wordt genoemd. Bij deze experimenten laserlicht wordt afgevuurd op een materiaal, en licht met tweemaal de frequentie wordt teruggereflecteerd. Het patroon van het uitgestraalde licht bevat informatie over de symmetrie van het kristal. De patronen gemeten van het op rhenium gebaseerde metaal waren heel vreemd - en konden niet worden verklaard door de bekende atomaire structuur van de verbinding.

"Aanvankelijk, we wisten niet wat er aan de hand was, " zegt Harter. De onderzoekers leerden toen over het concept van 3D-kwantumvloeibare kristallen, ontwikkeld door Liang Fu, een natuurkundeprofessor aan het MIT. "Het legde de patronen perfect uit. Alles klopte ineens, ’ zegt Harter.

De onderzoekers zeggen dat 3D-kwantumvloeistofkristallen een rol kunnen spelen in een veld dat spintronica wordt genoemd. waarin de richting waarin elektronen draaien kan worden benut om efficiëntere computerchips te maken. De ontdekking kan ook helpen bij enkele van de uitdagingen van het bouwen van een kwantumcomputer, die probeert te profiteren van de kwantumaard van deeltjes om nog snellere berekeningen te maken, zoals die nodig zijn om codes te decoderen. Een van de moeilijkheden bij het bouwen van zo'n computer is dat kwantumeigenschappen extreem kwetsbaar zijn en gemakkelijk kunnen worden vernietigd door interacties met hun omgeving. Een techniek genaamd topologische kwantumcomputing, ontwikkeld door Alexei Kitaev van Caltech, de Ronald en Maxine Linde, hoogleraar theoretische natuurkunde en wiskunde, kunnen dit probleem oplossen met behulp van een speciaal soort supergeleider die een topologische supergeleider wordt genoemd.

"Op dezelfde manier dat 2D-kwantumvloeibare kristallen zijn voorgesteld als een voorloper van supergeleiders bij hoge temperaturen, 3D-kwantum vloeibare kristallen kunnen de voorlopers zijn van de topologische supergeleiders waar we naar op zoek waren, ' zegt Hsieh.

"In plaats van te vertrouwen op serendipiteit om topologische supergeleiders te vinden, we hebben nu misschien een manier om ze rationeel te maken met behulp van 3D-kwantumvloeibare kristallen", zegt Harter. "Dat is het volgende op onze agenda."

De Wetenschap studie is getiteld "Een pariteitsbrekende elektronische nematische faseovergang in het spin-baan gekoppelde metaal Cd2Re2O7."