加州理工首次發現全新物質狀態——三維量子液態晶體

(圖:CalTech)

美國加州理工學院(California Institute of Technology)量子資訊及物質研究所的物理學家首次發現了一種新的物質狀態——三維量子液態晶體(3D quantum liquid crystal)。

科學家認為,這種狀態具有獨特的物理性質,有可能在未來量子電腦中發揮作用。科學家更聲稱,這研究的發現只是冰山一角,將啟發未來更多有關的研究,測試這種新的物質狀態。

液態晶體 vs 3D量子液態晶體

液態晶體分子像普通液體一樣自由流動,但又像固體那樣保持固定的分子排列方向。常見的液晶顯示屏,就是一種人造的液態晶體;生物的細胞膜,則是天然的液態晶體。

量子液態晶體的分子行為與普通的液態晶體相似,但其電子更傾向於沿著特定軸定向。科學家最早在 1999 年發現這種物質狀態。

根據電子沿軸自轉方向的不同,3D 量子液態晶體表現出不同的磁學特性。這意味著,充電會讓 3D 量子液態晶體變成磁體,或者改變其磁性的強度或方向。

量子應用

研究團隊希望 3D 量子液態晶體可以用於設計效能更高的電腦晶片,或者開發速度更快的量子電腦。

由於量子效應短暫而不穩定,單透過接觸周圍環境就能輕易發生改變甚至完全消失,因此,製造量子電腦絕對是一個挑戰。不過,這個問題可以用一種特殊的材料解決——拓撲超導體,而這正是 3D 量子液態晶體發揮作用的地方。

研究負責人、加州理工物理學助理教授 David Hsieh 說,正如 2D 量子液態晶體被認為是高溫超導體的前體一樣,3D 量子液態晶體或許正是我們一直尋找的拓撲超導體的前體。

博士後學者 John Harter 認為,有了這項研究成果做基礎,科學家就不必靠運氣、盲目地尋找拓撲超導體,而能夠利用 3D 量子液態晶體來設計及研發它,有望加快量子電腦的發展。

 

參考資料:

  1. Harter, J. W., Zhao, Z. Y., Yan, J.-Q., Mandrus, D. G. & Hsieh, D. (2017) A parity-breaking electronic nematic phase transition in the spin-orbit coupled metal Cd_2Re_2O_7. Science, 356 (6335). pp. 295-299. ISSN 0036-8075.
舒超
明日科學編輯,科大生命科學學院研究生,目前努力畢業中。做實驗之餘,喜歡讀書寫字,學習語言。鐘情中國古典文學。希望有朝一日走遍天下,增廣見聞。