Des physiciens de l'Institute for Quantum Information and Matter de Caltech ont découvert le premier cristal liquide quantique tridimensionnel, un nouvel état de la matière qui pourrait avoir des applications dans les ordinateurs quantiques ultrarapides du futur.

"Nous avons détecté l'existence d'un état fondamentalement nouveau de la matière qui peut être considéré comme un analogue quantique d'un cristal liquide, " dit le professeur assistant de physique Caltech David Hsieh, chercheur principal sur une nouvelle étude décrivant les résultats dans le numéro du 21 avril de Science . "Il existe de nombreuses classes de ces cristaux liquides quantiques qui peuvent, en principe, exister; donc, notre découverte n'est probablement que la pointe d'un iceberg."

Les cristaux liquides se situent quelque part entre un liquide et un solide :ils sont constitués de molécules qui circulent librement comme s'il s'agissait d'un liquide mais sont toutes orientées dans le même sens, comme dans un solide. Les cristaux liquides peuvent être trouvés dans la nature, comme dans les membranes cellulaires biologiques. Alternativement, ils peuvent être fabriqués artificiellement, comme ceux que l'on trouve dans les écrans à cristaux liquides couramment utilisés dans les montres, smartphone, téléviseurs, et d'autres éléments qui ont des écrans d'affichage.

Dans un cristal liquide "quantique", les électrons se comportent comme les molécules des cristaux liquides classiques. C'est-à-dire, les électrons se déplacent librement mais ont une direction de flux préférée. Le tout premier cristal liquide quantique a été découvert en 1999 par Jim Eisenstein de Caltech, le professeur Frank J. Roshek de physique et de physique appliquée. Le cristal liquide quantique d'Eisenstein était bidimensionnel, ce qui signifie qu'il était confiné à un seul plan à l'intérieur du matériau hôte - un métal à base d'arséniure de gallium cultivé artificiellement. De tels cristaux liquides quantiques 2-D ont depuis été trouvés dans plusieurs autres matériaux, notamment des supraconducteurs à haute température, des matériaux qui conduisent l'électricité avec une résistance nulle à environ -150 degrés Celsius, qui est plus chaude que les températures de fonctionnement des supraconducteurs traditionnels.

John Harter, chercheur postdoctoral au laboratoire Hsieh et auteur principal de la nouvelle étude, explique que les cristaux liquides quantiques 2D se comportent de manière étrange. "Les électrons vivant dans cette plaine décident collectivement de circuler préférentiellement le long de l'axe des x plutôt que de l'axe des y même s'il n'y a rien pour distinguer une direction de l'autre, " il dit.

Maintenant Harter, Hsieh, et leurs collègues du Oak Ridge National Laboratory et de l'Université du Tennessee ont découvert le premier cristal liquide quantique en 3D. Par rapport à un cristal liquide quantique 2D, la version 3-D est encore plus bizarre. Ici, les électrons ne font pas seulement une distinction entre les x, oui, et axes z, mais ils ont aussi des propriétés magnétiques différentes selon qu'ils s'écoulent vers l'avant ou vers l'arrière sur un axe donné.

"Le fait de faire passer un courant électrique à travers ces matériaux les transforme de non-aimants en aimants, ce qui est très inhabituel, " dit Hsieh. " De plus, dans toutes les directions que vous pouvez faire passer le courant, la force magnétique et l'orientation magnétique changent. Les physiciens disent que les électrons " cassent la symétrie " du réseau."

Harter a en fait fait la découverte par hasard. Il s'intéressait à l'origine à l'étude de la structure atomique d'un composé métallique basé sur l'élément rhénium. En particulier, il essayait de caractériser la structure du réseau atomique du cristal à l'aide d'une technique appelée anisotropie rotationnelle de la seconde harmonique optique. Dans ces expériences, la lumière laser est tirée sur un matériau, et la lumière avec deux fois la fréquence est réfléchie. Le motif de la lumière émise contient des informations sur la symétrie du cristal. Les motifs mesurés à partir du métal à base de rhénium étaient très étranges et ne pouvaient pas être expliqués par la structure atomique connue du composé.

"En premier, nous ne savions pas ce qui se passait, " dit Harter. Les chercheurs ont ensuite découvert le concept de cristaux liquides quantiques en 3D, développé par Liang Fu, professeur de physique au MIT. "Cela expliquait parfaitement les motifs. Tout a soudainement pris sens, " dit Harter.

Les chercheurs disent que les cristaux liquides quantiques 3-D pourraient jouer un rôle dans un domaine appelé spintronique, dans lequel la direction dans laquelle les électrons tournent peut être exploitée pour créer des puces informatiques plus efficaces. La découverte pourrait également aider à relever certains des défis de la construction d'un ordinateur quantique, qui cherche à profiter de la nature quantique des particules pour faire des calculs encore plus rapides, tels que ceux nécessaires pour déchiffrer les codes. L'une des difficultés de la construction d'un tel ordinateur est que les propriétés quantiques sont extrêmement fragiles et peuvent facilement être détruites par des interactions avec leur environnement environnant. Une technique appelée informatique quantique topologique, développée par Alexei Kitaev de Caltech, le professeur Ronald et Maxine Linde de physique théorique et de mathématiques peut résoudre ce problème à l'aide d'un type spécial de supraconducteur appelé supraconducteur topologique.

"De la même manière que les cristaux liquides quantiques 2-D ont été proposés pour être un précurseur des supraconducteurs à haute température, Les cristaux liquides quantiques 3D pourraient être les précurseurs des supraconducteurs topologiques que nous recherchions, " dit Hsieh.

"Plutôt que de compter sur le hasard pour trouver des supraconducteurs topologiques, nous avons peut-être maintenant un moyen de les créer de manière rationnelle à l'aide de cristaux liquides quantiques en 3D", déclare Harter. "C'est la prochaine étape de notre programme."

Les Science L'étude s'intitule « Une transition de phase nématique électronique à rupture de parité dans le métal couplé en orbite de spin Cd2Re2O7 ».