Físicos do Instituto de Informação Quântica e Matéria da Caltech descobriram o primeiro cristal líquido quântico tridimensional - um novo estado da matéria que pode ter aplicações em computadores quânticos ultrarrápidos do futuro.

"Detectamos a existência de um estado fundamentalmente novo da matéria que pode ser considerado um análogo quântico de um cristal líquido, "diz o professor assistente de física da Caltech, David Hsieh, investigador principal em um novo estudo que descreve as descobertas na edição de 21 de abril da Ciência . "Existem inúmeras classes de tais cristais líquidos quânticos que podem, em princípio, existir; Portanto, nossa descoberta é provavelmente a ponta de um iceberg. "

Os cristais líquidos ficam em algum lugar entre um líquido e um sólido:eles são feitos de moléculas que fluem livremente como se fossem um líquido, mas estão todas orientadas na mesma direção, como em um sólido. Cristais líquidos podem ser encontrados na natureza, como nas membranas celulares biológicas. Alternativamente, eles podem ser feitos artificialmente, como aqueles encontrados em telas de cristal líquido comumente usadas em relógios, smartphones, televisores, e outros itens que possuem telas de exibição.

Em um cristal líquido "quântico", os elétrons se comportam como as moléculas dos cristais líquidos clássicos. Isso é, os elétrons se movem livremente, mas têm uma direção de fluxo preferencial. O primeiro cristal líquido quântico foi descoberto em 1999 por Jim Eisenstein da Caltech, o Professor Frank J. Roshek de Física e Física Aplicada. O cristal líquido quântico de Eisenstein era bidimensional, o que significa que foi confinado a um único plano dentro do material hospedeiro - um metal à base de arsenieto de gálio cultivado artificialmente. Desde então, esses cristais líquidos quânticos 2-D foram encontrados em vários outros materiais, incluindo supercondutores de alta temperatura - materiais que conduzem eletricidade com resistência zero por volta de -150 graus Celsius, que é mais quente do que as temperaturas de operação para supercondutores tradicionais.

John Harter, um pós-doutorado no laboratório Hsieh e principal autor do novo estudo, explica que os cristais líquidos quânticos 2-D se comportam de maneiras estranhas. "Os elétrons que vivem nesta planície decidem coletivamente fluir preferencialmente ao longo do eixo x em vez do eixo y, embora não haja nada para distinguir uma direção da outra, " ele diz.

Agora Harter, Hsieh, e seus colegas do Oak Ridge National Laboratory e da University of Tennessee descobriram o primeiro cristal líquido quântico 3-D. Comparado a um cristal líquido quântico 2-D, a versão 3-D é ainda mais bizarra. Aqui, os elétrons não apenas fazem uma distinção entre x, y, e eixos z, mas também têm propriedades magnéticas diferentes, dependendo se fluem para frente ou para trás em um determinado eixo.

"Passar uma corrente elétrica por meio desses materiais os transforma de não-ímãs em ímãs, o que é altamente incomum, "diz Hsieh." Além do mais, em todas as direções em que você pode fluir a corrente, a força magnética e a orientação magnética mudam. Os físicos dizem que os elétrons 'quebram a simetria' da rede. "

Na verdade, Harter descobriu a descoberta por acaso. Ele estava originalmente interessado em estudar a estrutura atômica de um composto metálico baseado no elemento rênio. Em particular, ele estava tentando caracterizar a estrutura da rede atômica do cristal usando uma técnica chamada anisotropia rotacional ótica de segundo harmônico. Nestes experimentos, luz laser é disparada contra um material, e a luz com o dobro da frequência é refletida de volta. O padrão de luz emitida contém informações sobre a simetria do cristal. Os padrões medidos do metal à base de rênio eram muito estranhos - e não podiam ser explicados pela estrutura atômica conhecida do composto.

"Inicialmente, não sabíamos o que estava acontecendo, "Harter diz. Os pesquisadores aprenderam então sobre o conceito de cristais líquidos quânticos 3-D, desenvolvido por Liang Fu, professor de física no MIT. "Isso explicava os padrões perfeitamente. De repente, tudo fez sentido, "Harter diz.

Os pesquisadores dizem que os cristais líquidos quânticos 3-D podem desempenhar um papel em um campo chamado spintrônica, em que a direção em que os elétrons giram pode ser explorada para criar chips de computador mais eficientes. A descoberta também pode ajudar com alguns dos desafios de construir um computador quântico, que busca tirar proveito da natureza quântica das partículas para fazer cálculos ainda mais rápidos, como aqueles necessários para descriptografar códigos. Uma das dificuldades na construção de tal computador é que as propriedades quânticas são extremamente frágeis e podem ser facilmente destruídas por meio de interações com o ambiente circundante. Uma técnica chamada computação quântica topológica, desenvolvida por Alexei Kitaev da Caltech, o Professor Ronald e Maxine Linde de Física Teórica e Matemática - pode resolver este problema com a ajuda de um tipo especial de supercondutor apelidado de supercondutor topológico.

"Da mesma forma que os cristais líquidos quânticos 2-D foram propostos para serem um precursor de supercondutores de alta temperatura, Cristais líquidos quânticos 3-D podem ser os precursores dos supercondutores topológicos que procuramos, "diz Hsieh.

"Em vez de confiar na sorte para encontrar supercondutores topológicos, podemos agora ter um caminho para criá-los racionalmente usando cristais líquidos quânticos 3-D ", diz Harter." Isso é o próximo em nossa agenda. "

o Ciência O estudo é intitulado "Uma transição de fase nemática eletrônica de quebra de paridade no metal acoplado spin-órbita Cd2Re2O7".