I fisici dell'Institute for Quantum Information and Matter al Caltech hanno scoperto il primo cristallo liquido quantistico tridimensionale, un nuovo stato della materia che potrebbe avere applicazioni nei computer quantistici ultraveloci del futuro.

"Abbiamo rilevato l'esistenza di uno stato fondamentalmente nuovo della materia che può essere considerato come un analogo quantistico di un cristallo liquido, ", afferma David Hsieh, assistente professore di fisica del Caltech, investigatore principale di un nuovo studio che descrive i risultati nel numero del 21 aprile di Scienza . "Esistono numerose classi di tali cristalli liquidi quantistici che possono, in linea di principio, esistere; perciò, la nostra scoperta è probabilmente la punta di un iceberg".

I cristalli liquidi cadono da qualche parte tra un liquido e un solido:sono costituiti da molecole che scorrono liberamente come se fossero un liquido ma sono tutte orientate nella stessa direzione, come in un solido. I cristalli liquidi si trovano in natura, come nelle membrane cellulari biologiche. In alternativa, possono essere realizzati artificialmente, come quelli che si trovano negli schermi a cristalli liquidi comunemente usati negli orologi, smartphone, televisori, e altri oggetti dotati di schermi.

In un cristallo liquido "quantistico", gli elettroni si comportano come le molecole dei cristalli liquidi classici. Questo è, gli elettroni si muovono liberamente ma hanno una direzione di flusso preferita. Il primo cristallo liquido quantistico è stato scoperto nel 1999 da Jim Eisenstein del Caltech, il Frank J. Roshek Professore di Fisica e Fisica Applicata. Il cristallo liquido quantistico di Eisenstein era bidimensionale, il che significa che era confinato su un singolo piano all'interno del materiale ospite, un metallo a base di arseniuro di gallio cresciuto artificialmente. Tali cristalli liquidi quantistici 2-D sono stati da allora trovati in molti altri materiali, inclusi i superconduttori ad alta temperatura, materiali che conducono elettricità con resistenza zero a circa -150 gradi Celsius, che è più caldo delle temperature di esercizio per i superconduttori tradizionali.

John Harter, uno studioso postdottorato nel laboratorio di Hsieh e autore principale del nuovo studio, spiega che i cristalli liquidi quantistici 2-D si comportano in modi strani. "Gli elettroni che vivono in questa pianura decidono collettivamente di fluire preferenzialmente lungo l'asse x piuttosto che l'asse y anche se non c'è nulla che distingua una direzione dall'altra, " lui dice.

Ora Harter, Hsieh, e i loro colleghi dell'Oak Ridge National Laboratory e dell'Università del Tennessee hanno scoperto il primo cristallo liquido quantistico 3-D. Rispetto a un cristallo liquido quantistico 2-D, la versione 3-D è ancora più bizzarra. Qui, gli elettroni non solo fanno una distinzione tra x, si, e z assi, ma hanno anche proprietà magnetiche differenti a seconda che scorrano in avanti o indietro su un dato asse.

"Fare passare una corrente elettrica attraverso questi materiali li trasforma da non magneti in magneti, il che è molto insolito, " dice Hsieh. "Inoltre, in ogni direzione in cui puoi scorrere corrente, la forza magnetica e l'orientamento magnetico cambiano. I fisici dicono che gli elettroni "rompono la simmetria" del reticolo".

Harter ha effettivamente colpito la scoperta per caso. Inizialmente era interessato allo studio della struttura atomica di un composto metallico basato sull'elemento renio. In particolare, stava cercando di caratterizzare la struttura del reticolo atomico del cristallo usando una tecnica chiamata anisotropia rotazionale di seconda armonica ottica. In questi esperimenti, la luce laser viene sparata su un materiale, e la luce con frequenza doppia viene riflessa indietro. Il modello di luce emessa contiene informazioni sulla simmetria del cristallo. I modelli misurati dal metallo a base di renio erano molto strani e non potevano essere spiegati dalla nota struttura atomica del composto.

"All'inizio, non sapevamo cosa stava succedendo, " dice Harter. I ricercatori hanno poi appreso il concetto di cristalli liquidi quantistici 3-D, sviluppato da Liang Fu, un professore di fisica al MIT. "Spiegava perfettamente gli schemi. Tutto improvvisamente aveva un senso, "dice Harter.

I ricercatori affermano che i cristalli liquidi quantistici 3D potrebbero svolgere un ruolo in un campo chiamato spintronica, in cui la direzione di rotazione degli elettroni può essere sfruttata per creare chip per computer più efficienti. La scoperta potrebbe anche aiutare con alcune delle sfide della costruzione di un computer quantistico, che cerca di sfruttare la natura quantistica delle particelle per fare calcoli ancora più veloci, come quelli necessari per decifrare i codici. Una delle difficoltà nella costruzione di un computer del genere è che le proprietà quantistiche sono estremamente fragili e possono essere facilmente distrutte attraverso le interazioni con l'ambiente circostante. Una tecnica chiamata calcolo quantistico topologico, sviluppata da Alexei Kitaev del Caltech, il professore Ronald e Maxine Linde di fisica teorica e matematica, può risolvere questo problema con l'aiuto di un tipo speciale di superconduttore chiamato superconduttore topologico.

"Allo stesso modo in cui è stato proposto che i cristalli liquidi quantistici 2-D siano un precursore dei superconduttori ad alta temperatura, I cristalli liquidi quantistici 3D potrebbero essere i precursori dei superconduttori topologici che stavamo cercando, " dice Hsieh.

"Piuttosto che affidarsi alla serendipità per trovare superconduttori topologici, ora potremmo avere un percorso per crearli razionalmente utilizzando cristalli liquidi quantistici 3D", afferma Harter. "Questo è il prossimo punto della nostra agenda".

Il Scienza lo studio è intitolato "Una transizione di fase nematica elettronica che rompe la parità nel metallo accoppiato spin-orbita Cd2Re2O7".