Nye kvanteflydende krystaller kan spille en rolle i computernes fremtid

Fysikere ved Institute for Quantum Information and Matter hos Caltech har opdaget den første tredimensionelle kvante-flydende krystal-en ny tilstand, der kan have anvendelser i fremtidens ultrahurtige kvantecomputere.

"Vi har opdaget eksistensen af ​​en grundlæggende ny tilstand af stof, der kan betragtes som en kvanteanalog af en flydende krystal, "siger Caltech -adjunkt i fysik David Hsieh, hovedforsker på en ny undersøgelse, der beskriver resultaterne i 21. april -udgaven af Videnskab . "Der er mange klasser af sådanne kvanteflydende krystaller, der kan, i princippet, eksisterer; derfor, vores fund er sandsynligvis toppen af ​​et isbjerg. "

Flydende krystaller falder et sted imellem en væske og et fast stof:de består af molekyler, der flyder frit rundt, som om de var en væske, men alle er orienteret i samme retning, som i et fast stof. Flydende krystaller kan findes i naturen, såsom i biologiske cellemembraner. Alternativt kan de kan laves kunstigt - såsom dem, der findes i de flydende krystaldisplays, der almindeligvis bruges i ure, smartphones, fjernsyn, og andre elementer, der har displayskærme.

I en "kvante" flydende krystal, elektroner opfører sig som molekylerne i klassiske flydende krystaller. Det er, elektronerne bevæger sig frit rundt, men har en foretrukken strømningsretning. Den første kvante flydende krystal nogensinde blev opdaget i 1999 af Caltechs Jim Eisenstein, Frank J. Roshek professor i fysik og anvendt fysik. Eisensteins kvanteflydende krystal var todimensionel, hvilket betyder, at det var begrænset til et enkelt plan inde i værtsmaterialet - et kunstigt dyrket gallium-arsenid-baseret metal. Sådanne 2-D kvante flydende krystaller er siden blevet fundet i adskillige flere materialer, herunder højtemperatur superledere - materialer, der leder elektricitet med nul modstand ved omkring -150 grader Celsius, hvilket er varmere end driftstemperaturer for traditionelle superledere.

John Harter, en postdoktor i Hsieh -laboratoriet og hovedforfatter af det nye studie, forklarer, at 2-D kvanteflydende krystaller opfører sig på mærkelige måder. "Elektroner, der bor i dette flatland, beslutter kollektivt at flyde fortrinsvis langs x-aksen frem for y-aksen, selvom der ikke er noget at skelne den ene retning fra den anden, " han siger.

Nu Harter, Hsieh, og deres kolleger ved Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee har opdaget den første 3D-kvante-flydende krystal. Sammenlignet med en 2-D kvante flydende krystal, 3D-versionen er endnu mere bizar. Her, elektronerne skelner ikke kun mellem x, y, og z -akser, men de har også forskellige magnetiske egenskaber afhængigt af om de flyder frem eller tilbage på en given akse.

"At køre en elektrisk strøm gennem disse materialer omdanner dem fra ikke -magneter til magneter, hvilket er meget usædvanligt, " siger Hsieh. "Hvad mere er, i alle retninger, hvor du kan strømme strøm, den magnetiske styrke og magnetiske orientering ændres. Fysikere siger, at elektronerne 'bryder symmetrien' af gitteret. "

Harter ramte faktisk opdagelsen alvorligt. Han var oprindeligt interesseret i at studere atomstrukturen af ​​en metalforbindelse baseret på elementet rhenium. I særdeleshed, han forsøgte at karakterisere strukturen af ​​krystalets atomgitter ved hjælp af en teknik kaldet optisk andenharmonisk rotationsanisotropi. I disse forsøg, laserlys affyres mod et materiale, og lys med to gange frekvensen reflekteres tilbage. Mønsteret for udsendt lys indeholder oplysninger om krystallets symmetri. Mønstrene målt fra det rhenium-baserede metal var meget mærkelige - og kunne ikke forklares med den kendte atomstruktur af forbindelsen.

"Først, vi vidste ikke, hvad der foregik, "Siger Harter. Forskerne lærte derefter om konceptet med 3-D kvanteflydende krystaller, udviklet af Liang Fu, en fysikprofessor på MIT. "Det forklarede mønstrene perfekt. Alt gav pludselig mening, "Siger Harter.

Forskerne siger, at 3D-kvanteflydende krystaller kan spille en rolle i et felt kaldet spintronics, i hvilken den retning, elektroner drejer, kan udnyttes til at skabe mere effektive computerchips. Opdagelsen kan også hjælpe med nogle af udfordringerne ved at bygge en kvantecomputer, som søger at udnytte partiklernes kvante natur til at foretage endnu hurtigere beregninger, såsom dem, der er nødvendige for at dekryptere koder. En af vanskelighederne ved at bygge sådan en computer er, at kvanteegenskaber er ekstremt skrøbelige og let kan ødelægges gennem interaktioner med deres omgivende miljø. En teknik kaldet topologisk kvanteberegning - udviklet af Caltechs Alexei Kitaev, Ronald og Maxine Linde, professor i teoretisk fysik og matematik - kan løse dette problem ved hjælp af en særlig form for superleder kaldet en topologisk superleder.

"På samme måde som 2-D kvanteflydende krystaller er blevet foreslået at være en forløber for høj temperatur superledere, 3-D kvante flydende krystaller kunne være forløberne for de topologiske superledere, vi har ledt efter, "siger Hsieh.

"I stedet for at stole på serendipitet for at finde topologiske superledere, vi kan nu have en rute til rationelt at skabe dem ved hjælp af 3-D kvanteflydende krystaller, siger Harter. "Det er det næste på vores dagsorden."

Det Videnskab undersøgelsen har titlen "En paritetsbrydende elektronisk nematisk faseovergang i det spin-kredsløbskoblede metal Cd2Re2O7."