Fysiker vid Institute for Quantum Information and Matter på Caltech har upptäckt den första tredimensionella kvantflytande kristallen-ett nytt tillstånd av materia som kan ha tillämpningar i framtidens ultrasnabba kvantdatorer.

"Vi har upptäckt att det finns ett fundamentalt nytt tillstånd av materia som kan betraktas som en kvantanalog av en flytande kristall, "säger Caltech biträdande professor i fysik David Hsieh, huvudutredare om en ny studie som beskriver fynden i 21 april -numret av Vetenskap . "Det finns många klasser av sådana kvantvätskekristaller som kan, i princip, existera; därför, vårt fynd är sannolikt toppen av ett isberg. "

Flytande kristaller faller någonstans mellan en vätska och en fast substans:de består av molekyler som flyter runt fritt som om de vore en vätska men alla är orienterade i samma riktning, som i ett fast ämne. Flytande kristaller finns i naturen, såsom i biologiska cellmembran. Alternativt, de kan tillverkas artificiellt - som de som finns i flytande kristallskärmar som vanligtvis används i klockor, smartphones, tv, och andra objekt som har skärmar.

I en "kvant" flytande kristall, elektroner beter sig som molekylerna i klassiska flytande kristaller. Det är, elektronerna rör sig fritt men har en föredragen flödesriktning. Den första kvant-flytande kristallen någonsin upptäcktes 1999 av Caltechs Jim Eisenstein, Frank J. Roshek professor i fysik och tillämpad fysik. Eisensteins kvant flytande kristall var tvådimensionell, vilket innebär att det var begränsat till ett enda plan inuti värdmaterialet-en artificiellt odlad galliumarsenidbaserad metall. Sådana tvådimensionella kvantvätskekristaller har sedan dess hittats i flera fler material, inklusive högtemperatur superledare-material som leder elektricitet med nollmotstånd vid cirka -150 grader Celsius, vilket är varmare än driftstemperaturer för traditionella superledare.

John Harter, en postdoktor i Hsieh -labbet och huvudförfattare till den nya studien, förklarar att tvådimensionella kvantvätskekristaller beter sig på konstiga sätt. "Elektroner som bor i detta plattland beslutar kollektivt att flöda företrädesvis längs x-axeln snarare än y-axeln även om det inte finns något att skilja den ena riktningen från den andra, " han säger.

Nu Harter, Hsieh, och deras kollegor vid Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee har upptäckt den första 3D-kvant-flytande kristallen. Jämfört med en 2-D kvant flytande kristall, 3D-versionen är ännu mer bisarr. Här, elektronerna gör inte bara skillnad mellan x, y, och z -axlar, men de har också olika magnetiska egenskaper beroende på om de flyter framåt eller bakåt på en given axel.

"Att köra en elektrisk ström genom dessa material omvandlar dem från icke -magneter till magneter, vilket är mycket ovanligt, "säger Hsieh." Vad mer, i alla riktningar som du kan strömma ström, magnetstyrkan och magnetisk orientering förändras. Fysiker säger att elektronerna "bryter symmetrin" hos gallret. "

Harter träffade faktiskt upptäckten allvarligt. Han var ursprungligen intresserad av att studera atomstrukturen hos en metallförening baserad på elementet rhenium. Särskilt, han försökte karakterisera strukturen hos kristallens atomgitter med hjälp av en teknik som kallas optisk andraharmonisk rotationsanisotropi. I dessa experiment, laserljus avfyras mot ett material, och ljus med dubbelt så hög frekvens reflekteras tillbaka ut. Mönstret för utsänt ljus innehåller information om kristallens symmetri. Mönstren mätt från den rheniumbaserade metallen var mycket märkliga-och kunde inte förklaras med föreningens kända atomstruktur.

"I början, vi visste inte vad som hände, "Säger Harter. Forskarna lärde sig sedan om konceptet med 3D-kvantkristaller, utvecklad av Liang Fu, fysikprofessor vid MIT. "Det förklarade mönstren perfekt. Allt var plötsligt meningsfullt, Säger Harter.

Forskarna säger att 3D-kvantvätskekristaller kan spela en roll inom ett område som kallas spintronics, i vilken riktningen som elektroner snurrar kan utnyttjas för att skapa mer effektiva datorchips. Upptäckten kan också hjälpa till med några av utmaningarna med att bygga en kvantdator, som försöker utnyttja partiklarnas kvantitet för att göra ännu snabbare beräkningar, som de som behövs för att dekryptera koder. En av svårigheterna med att bygga en sådan dator är att kvantegenskaper är extremt bräckliga och lätt kan förstöras genom interaktioner med omgivande miljö. En teknik som kallas topologisk kvantberäkning - utvecklad av Caltechs Alexei Kitaev, Ronald och Maxine Linde, professor i teoretisk fysik och matematik - kan lösa detta problem med hjälp av en speciell typ av superledare som kallas en topologisk superledare.

"På samma sätt som tvådimensionella kvantvätskekristaller har föreslagits vara en föregångare till supraledare vid hög temperatur, 3D-kvantvätskekristaller kan vara föregångarna till de topologiska superledarna vi har letat efter, "säger Hsieh.

"Snarare än att lita på ödmjukhet för att hitta topologiska superledare, vi kan nu ha en väg att rationellt skapa dem med hjälp av 3D-kvantvätskekristaller, säger Harter. "Det är nästa på vår agenda."

De Vetenskap studien har titeln "En paritetsbrytande elektronisk nematisk fasövergång i den spin-orbit-kopplade metallen Cd2Re2O7."