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 las 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 en un nuevo estudio que describe los hallazgos en la edición del 21 de abril de Ciencias . "Existen numerosas clases de tales cristales líquidos cuánticos que pueden, en principio, existe; por lo tanto, nuestro hallazgo es probablemente la punta de un iceberg ".

Los cristales líquidos se encuentran 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 en la naturaleza, como en las membranas celulares biológicas. Alternativamente, Pueden fabricarse artificialmente, como las que se encuentran en las pantallas de cristal líquido que se utilizan habitualmente en los relojes. teléfonos inteligentes, televisores, y otros elementos que tienen pantallas de visualización.

En un cristal líquido "cuántico", los electrones se comportan como las moléculas de 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 Eisenstein de Caltech, 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, estos cristales líquidos cuánticos 2-D se han encontrado en varios materiales más, incluidos superconductores de alta temperatura, materiales que conducen electricidad con resistencia cero a alrededor de -150 grados Celsius, que es más cálida que las temperaturas de funcionamiento de los superconductores tradicionales.

John Harter, un becario postdoctoral en el laboratorio de Hsieh y autor principal del nuevo estudio, explica que los cristales líquidos cuánticos 2-D se comportan de formas extrañas. "Los electrones que viven en esta llanura deciden colectivamente fluir preferentemente a lo largo del eje x en lugar del eje y, aunque no hay nada que distinga una dirección de la otra, " él dice.

Ahora Harter, Hsieh, y sus colegas del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Tennessee han descubierto el primer cristal líquido cuántico tridimensional. En comparación con un cristal líquido cuántico 2-D, la versión 3-D es aún más extraña. Aquí, los electrones no solo hacen una distinción entre la x, y, y ejes z, pero también tienen diferentes propiedades magnéticas dependiendo de si fluyen hacia adelante o hacia atrás en un eje dado.

"Hacer pasar una corriente eléctrica a través de estos materiales los transforma de no imanes en imanes, que es muy inusual, "dice Hsieh." Además, en todas las direcciones en las que pueda fluir la corriente, la fuerza magnética y la orientación magnética cambian. Los físicos dicen que los electrones 'rompen la simetría' de la red ".

Harter en realidad dio con 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 anisotropía rotacional óptica de segundo armónico. En estos experimentos, se dispara luz láser a un material, y la luz con el doble de frecuencia se refleja hacia afuera. El patrón de luz emitida contiene información sobre la simetría del cristal. Los patrones medidos a partir del metal a base de renio eran muy extraños y no podían explicarse por la estructura atómica conocida del compuesto.

"En primer lugar, no sabíamos lo que estaba pasando, ", Dice Harter. Los investigadores luego aprendieron sobre el concepto de cristales líquidos cuánticos 3-D, desarrollado por Liang Fu, profesor de física en el MIT. "Explicó los patrones a la perfección. De repente, todo tuvo sentido, "Dice Harter.

Los investigadores dicen que los cristales líquidos cuánticos 3-D 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 de construir una computadora cuántica, que busca aprovechar la naturaleza cuántica de las partículas para realizar 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 destruirse fácilmente a través de interacciones con su entorno circundante. Una técnica llamada computación cuántica topológica, desarrollada por Alexei Kitaev de Caltech, el profesor Ronald y Maxine Linde de Física Teórica y Matemáticas, puede resolver este problema con la ayuda de un tipo especial de superconductor denominado superconductor topológico.

"De la misma manera que se ha propuesto que los cristales líquidos cuánticos 2-D sean precursores de los superconductores de alta temperatura, Los cristales líquidos cuánticos tridimensionales podrían ser los precursores de los superconductores topológicos que hemos estado buscando, "dice Hsieh.

"En lugar de confiar en la casualidad para encontrar superconductores topológicos, ahora podemos tener una ruta para crearlos racionalmente usando cristales líquidos cuánticos tridimensionales ", dice Harter." Eso es lo siguiente en nuestra agenda ".

los Ciencias El estudio se titula "Una transición de fase nemática electrónica que rompe la paridad en el metal acoplado en órbita de espín Cd2Re2O7".