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Podrían ser los precursores de los superconductores topológicos

El futuro de los ordenadores puede estar en los nuevos cristales líquidos cuánticos

Desde el Instituto de Información y Materia Cuántica de Caltech han anunciado el descubrimiento del primer cristal líquido cuántico en tres dimensiones, en lo que es un nuevo estado de la materia que podría tener un papel en los futuros ordenadores cuánticos.

Según David Hsieh, uno de los investigadores principales de este trabajo señala que “hay numerosas clases de cristales líquidos cuánticos que pueden existir, en principio, por lo que el hallazgo es probablemente la punta de un iceberg“.

Los cristales líquidos están en algún lugar entre el líquido y el sólido. Su composición se basa en moléculas que fluyen libremente como si fueran líquido, pero con la característica de que todas están orientadas en la misma dirección, como un sólido. Estos elementos pueden encontrarse en la naturaleza en las membranas celulares. También hay cristales líquidos artificiales en las pantallas de relojes, televisores y otros dispositivos.

Al hablar de un cristal cuánticos tenemos electrones que se comportan como las moléculas en los cristales líquidos clásicos, con electrones que se mueven libremente pero con una dirección de flujo preferida. El primer cristal líquido cuántico fue descubierto en 1999 por James O. Eisenstein en esta misma escuela, en Caltech, pero era un cristal bidimensional, estaba confinado en un único plano dentro del material que lo alojaba, un metal artificial basado en arseniuro de galio. Después de eso se han descubierto otros cristales líquidos cuánticos bidimensionales en otros materiales, incluyendo superconductores de alta temperatura, materiales que conducen electricidad con cero resistencia sobre -150 grados centígrados, o que son más calientes que las temperaturas de funcionamiento de los superconductores tradicionales.

Según explican los investigadores, los cristales líquidos cuánticos bidimensionales se comportan de maneras extrañas. En palabras de otro de los investigadores de este trabajo, John Harter, “los electrones que viven en esta llanura colectiva deciden fluir preferentemente a lo largo del eje X en lugar del eje Y, aunque no hay nada que distinga una dirección de la otra. Sin embargo, lo que se ha descubierto ahora en este laboratorio de Caltech es tridimensional, lo que significa que si el 2D es raro este lo es mucho más. Aquí los electrones no sólo diferencian entre los ejes X, Y y Z, sino que además tienen diferentes propiedades magnéticas según fluyan hacia delante o hacia atrás en un eje determinado.

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Al hacer correr una corriente eléctrica a través de estos materiales se transforman de no-imanes en imanes, que ya es bastante inusual. Hsieh explica también que además de eso, en todas las direcciones en las que puede fluir la corriente, la fuerza magnética y la orientación magnética cambian. Según los físicos, los electrones rompen la simetría de la red.

El descubrimiento se hizo casi por azar, ya que primeramente el objetivo era estudiar la estructura atómica de un compuesto metálico basado en el renio. Especialmente se quería describir la estructura de la red atómica del cristal por medio de anisotropía óptica de segundo armónico rotacional. En los experimentos se disparó luz láser en un material, y la luz con el doble de frecuencia se refleja hacia atrás. El patrón de la luz emitida contiene información sobre la simetría del cristal. Los patrones que se miden a partir del metal basado en renio resultaron ser muy raros y no podían explicarse por la estructura atómica que se conocía del compuesto. Los investigadores no sabían lo que estaba pasando hasta que dieron con el concepto sobre cristales líquidos cuánticos en 3D desarrollado por el profesor de física del MIT Liang Fu, que resultó ser capaz de explicar todos los patrones perfectamente.

Estos cristales líquidos cuánticos podrían tener un papel importante en un campo conocido como espintrónica, en el que la dirección de giro de los electrones puede usarse para crear chips más eficientes para ordenadores, pero también ofrece nuevas posibilidades para la construcción de un ordenador cuántico que aproveche las características cuánticas de las partículas para acelerar más la capacidad de cálculo. Hasta el momento, la principal dificultad existente para crear un ordenador de este tipo es que las propiedades cuánticas son frágiles en extremo y se pueden destruir con mucha facilidad con las diversas interacciones del entorno.

Mediante una técnica denominada “computacional cuántica topológica”, desarrollada por otro investigador de Caltech, Alexei Kitaev, podría resolverse el problema con la ayuda de un tipo especial de superconductor conocido como superconductor topológico. Así, de igual forma que se espera que los cristales líquidos cuánticos  en 2D sean precursores  de los superconductores de alta temperatura, los cristales líquidos cuánticos en 3D podrían ser los precursores de los superconductores topológicos que los investigadores han estado buscando, según explica Hsieg.

Fuente: Phys.org

Imagen interior: Patrones de luz generados por un cristal basado en renio usando el sistema láser de anisotropía óptica de segundo armónico rotacional. A la izquierda está el patrón que proviene de la red atómica del cristal. A la derecha se ve cómo el cristal se ha convertido en un cristal líquido cuántico 3D, mostrando una salida radical del patrón a causa de la red atómica sola. Crédito: Hsieh Lab/ Caltech

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