科學家發現三維量子液晶 可用於製造超高速量子計算機

19世紀以前，人們從未想過某些物質還可以具有「液晶」狀態。直到一位來自奧地利的植物學家，萊尼茨爾在做膽甾醇苯酸酶加熱實驗時，發現晶體物質融化過程中，在不同溫度下，顏色變得截然不同。隨後物理學家勒曼發現，晶體融化液體與晶體類似，具有雙折射性質，於是將其命名為「液晶」。20世紀至今，液晶技術不斷提升，比如二維量子液晶已成為高溫超導體的前身。如今，科學家們新發現三維量子液晶，它將用於製造拓撲超導體。

一種兼具晶體和液體部分性質的中間態

據外媒「科學警報」網站4月22日報道，加州理工學院量子信息與物質研究所的物理學家們首次發現了一種三維量子液晶。作為一種新的物質狀態，它預計將在超高速量子計算中得到應用，並且研究人員認為，目前的發現還只是「冰山一角」。

物質的「液晶」狀態並不是一個新鮮概念，正如前所述，它在19世紀就已被發現。當某些物質在熔融狀態，或被溶劑溶解之後，會失去固態物質的剛性，卻獲得了液體流動性，同時保留部分晶體狀態下，物質分子的各向異性有序排列，成為一種兼具晶體和液體部分性質的中間態，即「液晶」狀態。

標準的液晶分子既能自由流動，又能像固體一樣保持定向。在電場作用下，液晶分子的排列會出現變化，從而影響到其光學性質，該現象也被稱為電光效應。這種效應滿足了工業製造領域的某些需求，比如，人工製造液晶，用於製作電視機、電腦、智能手機以及手錶等電子設備的顯示屏。當然，也並非只有工業領域才使用液晶，自然界的生物細胞膜中也有液晶分子的存在。

1999年，同樣是加州理工學院，物理和應用物理學的兩位教授，吉姆·愛森斯坦和弗蘭克·羅歇克發現了二維量子液晶。它們的分子表現和普通液晶分子一樣，但物質內的電子雖能自由移動，卻更傾向於沿一定方向排列，即存在優先流動方向。愛森斯坦的量子液晶之所以有這樣的表現是因為，晶體分子受限於宿主材料，人工生長的砷化鎵金屬存在單個平面的結構。隨後，科學家們在其他材料中也發現了二維量子液晶，並用其製作高溫超導體，能夠在溫度為負150攝氏度的情況下就實現無電阻，比傳統超導體運行的溫度更高。

與二維量子液晶相比，三維版本的液晶分子的性質也許更加奇特

現在，美國科學家謝地，謝地實驗室的博士後研究員約翰·哈特，以及美國田納西大學橡樹嶺國家實驗室的研究者們合作，共同發現了首個三維量子液晶。最新研究成果論文已發表於4月下旬的《科學》雜誌上。

該研究的第一作者約翰·哈特介紹，二維量子液晶的分子行為方式十分奇特，雖然晶格中X軸與Y軸的指向和傳統液晶分子並無不同，但整個平面上的電子會整體決定更傾向於其中的某個方向。

與二維量子液晶相比，三維版本液晶分子的性質也許更加奇特。在三維量子液晶中，不僅X、Y、Z軸方向的電子分布不同，在特定方向軸上，向前或向後的流動磁性也有所不同。簡單來說，就是三維量子液晶的電子具有完全不同的磁性，即能夠沿一個給定軸方向流動。這意味著提供了使材料變為磁鐵的方式，或者能夠改變磁鐵的磁性強度和方向。

科學家謝地表示，僅僅使材料通電，改變材料所處電場，就能將其從非磁體轉變為磁體，十分不可思議。此外，液晶內部能通過的電流方向之間，磁場強度和方向皆不同，等於打破了晶格的對稱性。起初研究者們對所發現的狀況不能理解，隨後了解到麻省理工學院科學家曾提出「三維量子液晶」概念，很好解釋了研究結果，這才確定找到的正是三維量子液晶。

生產量子計算機本身就是一個挑戰

研究者約翰·哈特表示，自己也是偶然間發現「三維量子液晶」。原本，他試圖利用光學二次諧波旋轉各向異性技術描繪晶體結構，從而研究基於錸元素的金屬化合物的原子結構。在實驗中，研究者向材料發射激光，反射的激光頻率會變為兩倍，並且其模式包含了晶體對稱性的信息。而針對錸基金屬化合物的測量所得模式十分奇怪，無法為已知的化合物原子結構所解釋。這才使得研究者們重新審視研究結果，確認「三維量子液晶」的存在。

如同液晶被發現後，廣泛應用於LED屏幕製作一樣，三維量子液晶的發現有望推進超高速量子計算機的建設進程。液晶分子的量子性質將使得代碼解密等計算過程實現超級高速。

生產量子計算機本身就是一個挑戰，因為量子效應十分微妙而短暫，脆弱到一旦與周圍環境的相互作用被改變，效應實現的過程就會被摧毀。加州理工學院理論物理學和數學領域的教授們提出拓撲量子計算技術。實現該技術又需要藉助一種被稱為拓撲超導體的特殊材料，而三維量子液晶的存在恰好能夠用於構造該材料。

這意味著以後，人們不再依賴於偶然運氣去發現拓撲超導體，而是能用三維量子液晶合理構造出它。而如何構造，正是研究者們的下一步工作。科學家謝地表示，三維量子液晶可以作為拓撲超導體的前驅物，方式就如同二維量子液晶被當作高溫超導體的先兆一樣。研究小組預計，三維量子液晶的分子特性將幫助科學家們開拓並促進超高效計算機晶元研究的發展。

來源中國科學網

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