کشف حالت کوانتومی جدیدی از ماده

فیزیکدان‌های کلتک در انستیتوی اطلاعات کوانتوم و ماده، نخستین بلور مایع کوانتومی سه‌ بعدی را کشف کرده‌اند. آن‌ها انتظار دارند این حالت جدید ماده بتواند، کاربردهایی در محاسبات کوانتومی فوق سریع داشته باشد. آن‌ها هم‌چنین معتقدند که این کشف به‌منزله‌ی یک قطره‌ از دریایی محسوب می‌شود که ما در اول راه اکتشاف آن هستیم.

مولکول‌های بلور مایع استاندارد، آزادانه و همانند مایع‌ عادی جریان می‌یابند؛ اما مانند یک ماده‌ی جامد، جهت‌گیری خود را حفظ می‌کنند. بلورهای مایع می‌توانند به‌طور مصنوعی ساخته شوند؛ مانند بلورهای مایع صفحات نمایشگرها در ابزارهای الکترونیکی. این بلورها همچنین می‌توانند در طبیعت یافت شوند؛ مانند بلورهای موجود در غشاهای سلول‌های زنده.

بلورهای مایع کوانتومی نخستین بار در سال ۱۹۹۱ کشف شدند. مولکول‌های آن‌ها بسیار شبیه به بلورهای مایع معمول عمل می‌کند؛ اما الکترون‌های آن‌ها در محورهای خاصی خودشان را سامان می‌دهند.

الکترون‌های بلورهای مایع کوانتومی سه‌بعدی، بر اساس اینکه حول یک محور خاص چگونه جهت‌گیری کنند، خواص مغناطیسی متفاوتی از خود نشان می‌دهند.

از لحاظ عملی، این امر بدین معنا است که عبور جریان الکتریکی از این مواد، آن‌ها را به آهنربا تبدیل می‌کند یا اینکه قدرت و جهت میدان مغناطیسی آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

تیم پژوهشی انتظار دارد که بلورهای کوانتومی مایع سه‌بعدی، طراحی و ساخت چیپ‌های کامپیوتری پیشرفته‌تر را با کمک به دانشمندان علوم رایانه در بهره‌برداری از جهت اسپین الکترون سرعت ببخشند.

کشف بلورهای مایع کوانتومی سه‌بعدی به ما در ساخت کامپیوترهای کوانتومی نیز یاری خواهد رساند. این بلورها می‌توانند رمزگشایی کد و انجام محاسبات را با سرعتی بالاتر انجام بدهند؛ زیرا ذرات درگیر، ماهیتی کوانتومی دارند.

دستیابی به کامپیوترهای کوانتومی، چالشی بزرگ است؛ زیرا اثرات کوانتومی ظریف و ناپایدار هستند. آن‌ها به‌راحتی با برهم‌کنش با محیط اطرافشان از بین می‌روند یا تغییر می‌کنند.

این مشکل چگونه حل می‌شود؟ با استفاده از موادی به نام ابررسانای توپولوژیک. اینجا است که بلورهای مایع کوانتومی سه‌بعدی وارد می‌شوند. دیوید هسیه، استادیار فیزیک و محقق اصلی این پژوهش، در مصاحبه‌ای گفته است:

بلورهای مایع کوانتومی دوبعدی به‌عنوان پیشروی ابررساناهای با دمای بالا معرفی شدند. بلورهای مایع کوانتومی سه‌بعدی هم می‌توانند پیشروی ابررساناهای توپولوژیکال باشند.

جان‌ هارتر، پژوهشگر پسادکترای آزمایشگاه هسیه و نویسنده اول مقاله‌ی این پژوهش در ژورنال ساینس، می‌گوید:

اکنون به‌جای آن‌که در یافتن ابررساناهای توپولوژیک به شانس و اقبال تکیه کنیم، راهی عقلانی برای ساخت آن‌ها با استفاده از بلورهای مایع کوانتومی سه‌بعدی در پیش روی خود داریم. این قدم بعدی ما است.