新型量子液晶

類別: 新奇

加州理工學院量子資訊與物質研究所的物理學家發現了首個三維量子液晶——一種新狀態物質,可被用於未來的超快量子計算機中。這一研究成果已發表於4月21日的科學雜誌上。

新型量子液晶
利用光學二次諧波旋轉各向異性技術得到的錸基晶體產生的光模式(詳見後文)。左圖的模式源自晶體原子晶格,右圖中晶體已成為三維量子液晶,由於原子晶格單獨存在,模式已大不相同。Credit: Hsieh Lab/Caltech

該研究主要負責人、加州理工學院物理助理教授David Hsieh說道:“我們檢測出了物質的一種新的基本狀態,可認為是液晶的量子類比。原則上存在多種這樣的量子液晶,因此我們的發現可能只是冰山一角。”

液晶是位於液態和固態的中間態:由自由流動的分子構成,看起來像是液體,但保留著部分晶態物質分子的各向異性有序排列,看起來又是固體。

在自然界中也能找到液晶,比如生物細胞膜。此外也能通過人為製造,比如通常的電視機,智慧手機,手錶以及其他產品中的液晶顯示器。

量子液晶中電子的行為方式類似於傳統液晶中的分子。即,電子自由移動但同時具有優先流動方向。首個量子液晶是由加州理工學院的物理和應用物理Frank J. Roshek教授職位的Jim Eisenstein在1999年發現的。Eisenstein的量子液晶是二維的,即受限於宿主材料(人工生長的砷化鎵金屬)的單個平面內。隨後,在其他幾種材料中也發現了這種二維量子液晶,比如-150攝氏度下無電阻的高溫超導體——比傳統的超導體執行溫度更高。

新研究的第一作者、Hsieh實驗室的博士後研究員John Harter解釋說二維量子液晶的行為方式十分奇異:“雖然x軸和y軸並無不同(指晶格),但平面上的電子會整體地決定更傾向於其中一個方向(這裡似乎看不出哪裡奇特了,汗)

而現在Harter,Hsieh和田納西大學橡樹嶺國家實驗室的同事發現了首個三維量子液晶。相比二維量子液晶,三維版本的液晶看起來更加奇特。在三維量子液晶中,不僅x,y,z軸方向的電子分佈不同,在特定軸上因向前或是向後流動磁性也不同。

Hsieh說道:“在材料中通以電流就能將其從非磁體轉變為磁體,這一點極不尋常。此外,在能通過電流的方向之間,磁場強度和磁場方向不同。物理學家稱這打破了晶格的對稱性。”

Harter也是偶然間發現的。他原本是打算研究基於錸元素的金屬化合物的原子結構。具體來講,他試圖利用光學二次諧波旋轉各向異性技術描繪晶體的結構。在實驗中,研究者將鐳射打向材料,反射的鐳射頻率會變為兩倍,並且其模式包含了晶體對稱性的資訊。針對錸基金屬化合物測量得到的模式十分奇怪,無法為已知的化合物原子結構所解釋。

Harter回憶道:“一開始我們一臉懵逼。”研究者隨後瞭解了麻省理工學院的物理學教授Liang Fu提出的三維量子液晶概念,“這完美地解釋了這種模式,所有一切突然就說得通了。”

研究者稱三維量子液晶可能在自旋電子學中大展身手(參考前文中自旋電池也能用於自旋電子學),利用電子自旋方向製造更有效的計算機晶片。這一發現還有助於解決量子計算機制造中的某些困難,其中一個就是量子特性十分脆弱,能輕易地被周圍環境的作用所摧毀。加州理工理論物理學家和數學的Ronald and Maxine Linde教授職位的Alexei Kitaev提出了拓撲量子計算技術,可以利用被稱為拓撲超導體的特殊的超導體解決這一問題。

Hsieh說道:“三維量子液晶可作為拓撲超導體的前驅物,方式雷同於二維量子液晶作為高溫超導體的前驅物。”

Harter說道:“比起依賴於靠運氣發現拓撲超導體,我們已經知道了如何使用三維量子液晶製造拓撲超導體,這將是我們的下一步工作。”

本文譯自phys,由譯者CliffBao基於創作共用協議(BY-NC)釋出。

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