Bilgisayarların geleceğinde yeni kuantum sıvı kristalleri rol oynayabilir

Caltech'te Kuantum Bilgi ve Enstitü Enstitüsündeki fizikçiler, ilk üç boyutlu kuantum sıvı kristali keşfetti - gelecekte çok hızlı kuantum bilgisayarlarda uygulanabilecek yeni bir madde hali.

Caltech'in fizikçi yardımcı profesörü David Hsieh, 21 Nisan'daki bulguyu anlatan yeni bir araştırmanın temel araştırmacı tarafından "Bir sıvı kristalin kuantum analoğu olarak kabul edilebilen tamamen yeni bir maddenin varlığını tespit ettik" Of Science . "Prensip olarak var olan bu tür kuantum sıvı kristalleri sınıfları vardır, bu nedenle bulgumuz muhtemelen bir buzdağının ucudur".

Sıvı kristaller, bir sıvı ile bir katı arasında bir yere düşerler: sanki sıvı haldeyken sanki etrafında özgürce dolaşan fakat aynı yönde katı bir şekilde yönlendirilmiş moleküllerden oluşurlar. Sıvı kristaller biyolojik hücre membranlarında olduğu gibi doğada bulunabilir. Alternatif olarak, saatlerce, akıllı telefonlarda, televizyonlarda ve ekran görüntüleri bulunan diğer öğelerde yaygın olarak kullanılan sıvı kristal görüntülerde bulunan gibi yapay olarak da yapılabilirler.

Bir "kuantum" sıvı kristalinde, elektronlar klasik sıvı kristallerdeki moleküller gibi davranıyorlar. Yani, elektronlar serbestçe hareket eder, ancak tercih edilen bir akış yönüne sahiptirler. İlk kuantum sıvı kristali, Caltech'in Jim Eisenstein, Fizik ve Uygulamalı Fizik Profesörü Frank J. Roshek tarafından 1999'da keşfedilmiştir. Eisenstein'ın kuantum sıvı kristali iki boyutluydı, yani ev sahibi materyalin içindeki tek bir düzlemle sınırlıydı - yapay olarak büyüyen galyum-arsenit esaslı metal. Bu tür 2 boyutlu kuantum sıvı kristalleri daha sonra, geleneksel süper iletkenlerin çalışma sıcaklıklarından daha sıcak -150 derece C'de sıfır dirençle elektrik ileten malzemeler olan yüksek sıcaklık süper iletkenleri de dahil olmak üzere birkaç başka malzemede bulunmuştur.

John Harter, Hsieh laboratuvarında doktora sonrası bir akademisyen ve yeni araştırmanın baş yazarı, 2 boyutlu kuantum sıvı kristallerinin garip şekillerde davrandıklarını açıklıyor. "Bu yassı bölgede yaşayan elektronlar, bir yönden diğerinden ayırt edilecek hiçbir şey olmamasına rağmen, y ekseni yerine x ekseni boyunca öncelikle akmaya karar veriyor" diyor.

Şimdi Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki Harter, Hsieh ve meslektaşları, Tennessee Üniversitesi, ilk 3 boyutlu kuantum sıvı kristali keşfetti. 2 boyutlu bir kuantum sıvı kristaline kıyasla, 3 boyutlu versiyon daha da tuhaf. Burada, elektronlar sadece x, y ve z eksenleri arasında ayrım yapmakla kalmazlar, aynı zamanda belirli bir eksende ileri veya geri akmalarına bağlı olarak farklı manyetik özelliklere sahiptirler.

Hsieh, "Bu malzemeler aracılığıyla bir elektrik akımı çalıştırmak onları manyarsız hale getirerek mıknatıslara dönüştürüyor ve çok sıradışı" dedi. Dahası, akışı olabildiğiniz her yönde manyetik güç ve manyetik yönlendirme değişir Fizikçiler, elektronların kafesin simetrisini kırdığını söylüyor. "

Harter keşifle serendipitously çarptı. Başlangıçta, renyum elementine dayalı bir metal bileşiğinin atomik yapısını incelemekle ilgilendi. Özellikle, optik ikinci harmonik dönme anizotropisi adlı bir teknik kullanarak kristalin atomik kafesinin yapısını karakterize etmeye çalışıyordu. Bu deneylerde, lazer ışığı bir malzemeye ateşlenir ve frekansı iki katına çıkaran ışık geri yansıtılır. Yayılan ışık örneği, kristalin simetri hakkında bilgi içerir. Renyum esaslı metalden ölçülen desenler çok garipti ve bileşiğin bilinen atom yapısı tarafından açıklanamadı.

"Başlangıçta, neler olduğunu bilmiyorduk," diyor Harter. Ardından, araştırmacılar, MIT'de bir fizik profesörü olan Liang Fu tarafından geliştirilen 3 boyutlu kuantum sıvı kristalleri kavramını öğrendi. "Kalıpları mükemmel bir şekilde açıkladı, her şey aniden mantıklı geldi" diyor Harter.

Araştırmacılar, 3-D kuantum sıvı kristallerinin, daha verimli bilgisayar yongaları oluşturmak için elektronların dönme yönünün kullanıldığı spintronik adlı bir alanda rol oynayabileceğini söylüyorlar. Keşif, aynı zamanda şifre çözme kodları için ihtiyaç duyulanlar gibi daha hızlı hesaplamalar yapmak için parçacıkların kuantum doğasından yararlanmak isteyen bir kuantum bilgisayar oluşturmanın bazı zorluklarıyla da yardımcı olabilir. Böyle bir bilgisayarın oluşturulmasında zorluklardan biri, kuantum özelliklerinin son derece kırılgan olması ve çevreleyen çevreyle etkileşimler yoluyla kolayca yok edilebilmesidir. Caltech'in Alexei Kitaev tarafından geliştirilen, topolojik kuantum hesaplama adlı bir teknik,

Hsieh, "2-boyutlu kuantum sıvı kristallerinin, yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin öncüsü olduğu gibi, 3-boyutlu kuantum sıvı kristalleri, aradığımız topolojik süper iletkenlerin öncül maddeleri olabilir" diyor.

"Topolojik süper iletkenleri bulmak için şans eseri üzerine değil, şimdi 3 boyutlu kuantum sıvı kristallerini kullanarak rasyonel olarak bunları oluşturmak için bir yol bulabiliriz" diyor Harter. "Gelecek gündemde."

Kaynak:

California Institute of Technology