| | 27 aпрeля 2017 | Нoвoсти нaуки и тexники
Учeныe oбнaружили квaнтoвый aнaлoг жидкиx кристaллoв
Жидкиe кристaллы извeстны людям ужe дoстaтoчнo дaвнo. С физичeскoй тoчки зрeния эти вещества занимают промежуточное положение между жидким и кристаллическим состоянием материи. Их молекулы обладают свободой перемещения, как молекулы жидкости, однако, под воздействием некоторых факторов эти молекулы обретают определенную пространственную ориентацию, как молекулы в кристалле какого-нибудь вещества. Жидкие кристаллы распространены в живой природе, из них, к примеру, состоят клеточные мембраны. Но их достаточно легко сделать искусственным путем, при помощи жидких кристаллов работает большинство дисплеев современных компьютеров, мобильных телефонов и экраны телевизоров.
Ученые-физики из Института квантовой информации и материи (Institute for Quantum Information and Matter) Калифорнийского технологического института (Caltech) обнаружили своего рода квантовый аналог жидких кристаллов, новое уникальное состояние материи, которое можно использовать в технологиях квантовых вычисления и коммуникаций. «И это все является только вершиной айсберга» — рассказывает Дэвид Хсих (David Hsieh), научный руководитель исследовательской группы, — На свете может существовать огромное количество различных классов и видов таких квантовых жидких кристаллов, каждый из которых обладает своими уникальными свойствами и может оказаться полезным в различных квантовых технологиях».
В квантовом «жидком кристалле» электроны ведут себя подобно молекулам классических жидких кристаллов. Эти электроны движутся произвольным образом и перемешиваются, но имеют общее привилегированное направление движения. Такой первый квантовый жидкий кристалл был впервые обнаружен в 1999 году профессором Джимом Айзенштайном (Jim Eisenstein) из Калифорнийского технологического института, но он был двухмерным, привилегированное направление движения электронов находилось на плоскости поверхности материала, слоя металла, осажденного на основании из арсенида галлия. Такие двухмерные квантовые жидкие кристаллы были найдены позже в среде других материалов, большинство из которых относится к высокотемпературным сверхпроводникам, переходящим в состояние сверхпроводимости при температуре -150 градусов Цельсия.
А недавно, ученые из Калифорнийского технологического института, работая совместно с учеными из Национальной лаборатории Ок-Ридж и университета Теннеси, нашли первый в своем роде трехмерный квантовый «жидкий кристалл». Это состояние материи еще более причудливо, нежели двухмерный «жидкий кристалл», в этом новом состоянии материи движение электронов разнится не только по отношению к осям x и y, но и по отношению к оси z. Более того, такой трехмерный квантовый «жидкий кристалл» имеет различные магнитные свойства, зависящие от привилегированного направления движения электронов в его среде.
«Управляющий электрический ток, пропущенный через такой материал, может «переключить» его из магнитного в немагнитное состояние и наоборот» — пишут исследователи, — «Более того, управляя текущим электрическим током, мы имеем возможность контролировать ориентацию и силу магнитного поля материала. Ученые из области теоретической физики утверждают, что такое необычное движение электронов «ломает» принципы симметрии кристаллической решетки».
Отметим, что ученые наткнулись на данный феномен совершенно случайно. Изначально ученые занимались изучением строения кристаллической решетки и поведения атомов рения. Для этого они использовали достаточно оригинальную технологию под названием второй гармоники оптической вращательной анизотропии (optical second-harmonic rotational anisotropy). Суть этого метода заключается в том, что при освещении материала лазерным светом он отражал свет с два раза большей частотой, чем частота исходного света. И в образах отраженного света заключалась информация о внутреннем строении и симметрии кристалла материала. Однако, образцы отраженного света в данном случае были весьма странными с точки зрения ученых и их особенности не могли быть объяснены с точки зрения особенностей строения атомов исследуемого материала.
«Изначально мы не могли понять, что происходило на самом деле» — пишут исследователи, — «Но после изучения работ Лиан Фу (Liang Fu), профессора физики из Массачусетского технологического института, в которых приведено теоретическое описание трехмерных квантовых «жидких кристаллов», все стало на свои места. И мы нашли объяснения всем замеченным странностям».
Пока еще очень рано говорить о возможности практического применения результатов данного открытия. Но ученые считают, что это открытие и квантовые «жидкие кристаллы» смогут стать основой так называемых спинтронных устройств, устройств, выполняющих передачу и обработку информации при помощи направленных волн спинов (направлений вращения электронов). Кроме этого, данное открытие может послужить объяснением некоторых наблюдаемых учеными причуд квантового мира, что в свою очередь позволит более уверенно использовать в своих целях природу квантовых частиц разного типа.
