@ 2017.04.24 , 22:30

新型量子液晶

加州理工学院量子信息与物质研究所的物理学家发现了首个三维量子液晶——一种新状态物质,可被用于未来的超快量子计算机中。这一研究成果已发表于4月21日的科学杂志上。

新型量子液晶
利用光学二次谐波旋转各向异性技术得到的铼基晶体产生的光模式(详见后文)。左图的模式源自晶体原子晶格,右图中晶体已成为三维量子液晶,由于原子晶格单独存在,模式已大不相同。Credit: Hsieh Lab/Caltech

该研究主要负责人、加州理工学院物理助理教授David Hsieh说道:“我们检测出了物质的一种新的基本状态,可认为是液晶的量子类比。原则上存在多种这样的量子液晶,因此我们的发现可能只是冰山一角。”

液晶是位于液态和固态的中间态:由自由流动的分子构成,看起来像是液体,但保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列,看起来又是固体。

在自然界中也能找到液晶,比如生物细胞膜。此外也能通过人为制造,比如通常的电视机,智能手机,手表以及其他产品中的液晶显示器。

量子液晶中电子的行为方式类似于传统液晶中的分子。即,电子自由移动但同时具有优先流动方向。首个量子液晶是由加州理工学院的物理和应用物理Frank J. Roshek教授职位的Jim Eisenstein在1999年发现的。Eisenstein的量子液晶是二维的,即受限于宿主材料(人工生长的砷化镓金属)的单个平面内。随后,在其他几种材料中也发现了这种二维量子液晶,比如-150摄氏度下无电阻的高温超导体——比传统的超导体运行温度更高。

新研究的第一作者、Hsieh实验室的博士后研究员John Harter解释说二维量子液晶的行为方式十分奇异:“虽然x轴和y轴并无不同(指晶格),但平面上的电子会整体地决定更倾向于其中一个方向(这里似乎看不出哪里奇特了,汗)

而现在Harter,Hsieh和田纳西大学橡树岭国家实验室的同事发现了首个三维量子液晶。相比二维量子液晶,三维版本的液晶看起来更加奇特。在三维量子液晶中,不仅x,y,z轴方向的电子分布不同,在特定轴上因向前或是向后流动磁性也不同。

Hsieh说道:“在材料中通以电流就能将其从非磁体转变为磁体,这一点极不寻常。此外,在能通过电流的方向之间,磁场强度和磁场方向不同。物理学家称这打破了晶格的对称性。”

Harter也是偶然间发现的。他原本是打算研究基于铼元素的金属化合物的原子结构。具体来讲,他试图利用光学二次谐波旋转各向异性技术描绘晶体的结构。在实验中,研究者将激光打向材料,反射的激光频率会变为两倍,并且其模式包含了晶体对称性的信息。针对铼基金属化合物测量得到的模式十分奇怪,无法为已知的化合物原子结构所解释。

Harter回忆道:“一开始我们一脸懵逼。”研究者随后了解了麻省理工学院的物理学教授Liang Fu提出的三维量子液晶概念,“这完美地解释了这种模式,所有一切突然就说得通了。”

研究者称三维量子液晶可能在自旋电子学中大展身手(参考前文中自旋电池也能用于自旋电子学),利用电子自旋方向制造更有效的计算机芯片。这一发现还有助于解决量子计算机制造中的某些困难,其中一个就是量子特性十分脆弱,能轻易地被周围环境的作用所摧毁。加州理工理论物理学家和数学的Ronald and Maxine Linde教授职位的Alexei Kitaev提出了拓扑量子计算技术,可以利用被称为拓扑超导体的特殊的超导体解决这一问题。

Hsieh说道:“三维量子液晶可作为拓扑超导体的前驱物,方式雷同于二维量子液晶作为高温超导体的前驱物。”

Harter说道:“比起依赖于靠运气发现拓扑超导体,我们已经知道了如何使用三维量子液晶制造拓扑超导体,这将是我们的下一步工作。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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