Los físicos del Instituto de Información y Materia Cuántica de Caltech han descubierto el primer cristal líquido cuántico tridimensional, un nuevo estado de la materia que puede tener aplicaciones en computadoras cuánticas ultrarrápidas del futuro.
"Hemos detectado la existencia de un estado fundamentalmente nuevo de la materia que puede considerarse como un análogo cuántico de un cristal líquido", dice el profesor asistente de física de Caltech, David Hsieh, investigador principal de un nuevo estudio que describe los hallazgos en abril21 edición de ciencia . "Existen numerosas clases de tales cristales líquidos cuánticos que, en principio, pueden existir; por lo tanto, nuestro hallazgo es probablemente la punta de un iceberg".
Los cristales líquidos caen en algún lugar entre un líquido y un sólido: están formados por moléculas que fluyen libremente como si fueran un líquido, pero todas están orientadas en la misma dirección, como en un sólido. Los cristales líquidos se pueden encontrar ennaturaleza, como en las membranas celulares biológicas. Alternativamente, se pueden hacer artificialmente, como las que se encuentran en las pantallas de cristal líquido comúnmente utilizadas en relojes, teléfonos inteligentes, televisores y otros artículos que tienen pantallas de visualización.
En un cristal líquido "cuántico", los electrones se comportan como las moléculas en los cristales líquidos clásicos. Es decir, los electrones se mueven libremente pero tienen una dirección de flujo preferida. El primer cristal líquido cuántico fue descubierto en 1999 por Jim de CaltechEisenstein, el Profesor Frank J. Roshek de Física y Física Aplicada, el cristal líquido cuántico de Eisenstein era bidimensional, lo que significa que estaba confinado a un solo plano dentro del material huésped, un metal a base de arseniuro de galio cultivado artificialmente.Desde entonces, se han encontrado cristales líquidos cuánticos D en varios materiales más, incluidos los superconductores de alta temperatura, materiales que conducen la electricidad con resistencia cero a aproximadamente -150 grados Celsius, que es más cálida que las temperaturas de funcionamiento de los superconductores tradicionales.
John Harter, un investigador postdoctoral en el laboratorio Hsieh y autor principal del nuevo estudio, explica que los cristales líquidos cuánticos en 2-D se comportan de formas extrañas. "Los electrones que viven en esta llanura deciden colectivamente fluir preferentemente a lo largo del eje x"que el eje y aunque no hay nada que distinga una dirección de la otra ", dice.
Ahora Harter, Hsieh y sus colegas del Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad de Tennessee han descubierto el primer cristal líquido cuántico 3-D. En comparación con un cristal líquido cuántico 2-D, la versión 3-D es aún más extrañaAquí, los electrones no solo hacen una distinción entre los ejes x, y y z, sino que también tienen diferentes propiedades magnéticas dependiendo de si fluyen hacia adelante o hacia atrás en un eje dado.
"Ejecutar una corriente eléctrica a través de estos materiales los transforma de imanes a imanes, lo cual es muy inusual", dice Hsieh. "Además, en cada dirección en la que puede fluir corriente, la fuerza magnética y la orientación magnética cambian. Los físicos dicen quelos electrones 'rompen la simetría' de la red "
Harter descubrió el descubrimiento por casualidad. Originalmente estaba interesado en estudiar la estructura atómica de un compuesto metálico basado en el elemento renio. En particular, estaba tratando de caracterizar la estructura de la red atómica del cristal usando una técnica llamada segundo ópticoanisotropía rotacional armónica. En estos experimentos, la luz láser se dispara a un material, y la luz con el doble de frecuencia se refleja de regreso. El patrón de luz emitida contiene información sobre la simetría del cristal. Los patrones medidos a partir de la base de renioel metal era muy extraño, y no podía explicarse por la estructura atómica conocida del compuesto.
"Al principio, no sabíamos qué estaba pasando", dice Harter. Los investigadores luego aprendieron sobre el concepto de cristales líquidos cuánticos en 3-D, desarrollado por Liang Fu, profesor de física en el MIT ". Explicó elpatrones perfectamente. Todo de repente tenía sentido ", dice Harter.
Los investigadores dicen que los cristales líquidos cuánticos tridimensionales podrían desempeñar un papel en un campo llamado espintrónica, en el que la dirección en la que giran los electrones puede explotarse para crear chips de computadora más eficientes. El descubrimiento también podría ayudar con algunos de los desafíos deconstruir una computadora cuántica, que busca aprovechar la naturaleza cuántica de las partículas para hacer cálculos aún más rápidos, como los necesarios para descifrar códigos. Una de las dificultades para construir una computadora de este tipo es que las propiedades cuánticas son extremadamente frágiles y pueden ser fácilmenteUna técnica llamada computación cuántica topológica, desarrollada por Alexei Kitaev de Caltech, profesor de física teórica y matemática de Ronald y Maxine Linde, puede resolver este problema con la ayuda de un tipo especial de superconductor denominadosuperconductor topológico.
"De la misma manera que se ha propuesto que los cristales líquidos cuánticos en 2-D sean precursores de los superconductores de alta temperatura, los cristales líquidos cuánticos en 3-D podrían ser los precursores de los superconductores topológicos que hemos estado buscando", diceHsieh.
"En lugar de confiar en la casualidad para encontrar superconductores topológicos, ahora podemos tener una ruta para crearlos racionalmente utilizando cristales líquidos cuánticos tridimensionales", dice Harter. "Eso es lo próximo en nuestra agenda".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Original escrito por Whitney Clavin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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