Quanten-Flüssigkristalle

3. Mai 2017, 13:15 Uhr
Lichtmuster, die durch ein Kristall auf Rheniumbasis erzeugt wird. Links die normale, rechts die 3D-Quanten-Variante (Foto © Hsieh Lab / Caltech).
Lichtmuster, die durch ein Kristall auf Rheniumbasis erzeugt wird. Links die normale, rechts die 3D-Quanten-Variante (Foto © Hsieh Lab / Caltech).
Wissenschaftler des Institute for Quantum Information and Matter (California Institute of Technology) haben zum ersten Mal einen dreidimensionalen Quanten-Flüssigkristall entdeckt – ein neuer Aggregatzustand, der Auswirkungen auf die zukünftigen ultraschnellen Quantencomputer haben könnte. Die Entdeckung dieses neuen Aggregatzustands, der als Quantenäquivalent eines Flüssigkristalls angesehen werden kann, ist wahrscheinlich nur die Spitze des Eisbergs: Im Prinzip könnten viele Klassen eines solchen Quanten-Flüssigkristalls existieren.

Flüssigkristalle befinden sich in einem Zustand zwischen flüssig und fest; sie bestehen aus Molekülen, die sich frei wie in einer Flüssigkeit bewegen, aber doch alle die gleiche Orientierung aufweisen. In der Natur kommen solche Flüssigkristalle in biologischen Zellmembranen vor und wir kennen sie natürlich von den allgegenwärtigen LC-Displays.

In einem „Quanten-Flüssigkristall“ verhalten die Elektronen sich wie die Moleküle in einem „klassischen“ Flüssigkristall. Anders ausgedrückt: Die Elektronen können sich frei bewegen, präferieren jedoch eine Bewegungsrichtung. Dieses Verhalten wurde zum ersten Mal 1999 bei zweidimensionalen Quanten-Flüssigkristallen beobachtet, doch das Verhalten der Elektronen in der nun entdeckten 3D-Variante ist noch merkwürdiger. Die Elektronen machen nicht nur einen Unterschied zwischen den drei Dimensionen, sondern weisen auch noch verschiedene magnetische Eigenschaften auf, je nachdem, ob sie sich vor- oder rückwärts einer gegebenen Achse bewegen.

Die 3D-Quanten-Flüssigkristalle könnten eine Rolle bei einer Technik spielen, die Spintronic genannt wird. Dabei kann die Spinrichtung von Elektronen ausgenutzt werden, um noch effizientere Computerchips zu produzieren. Die Entdeckung kann auch bei der Entwicklung von Quantencomputern nützlich sein. Das Problem, dass normale Quantenzustände äußerst fragil sind, könnte vielleicht mit Hilfe „topologischer Superleiter“ auf Basis von 3D-Quanten-Flüssigkristallen gelöst werden.
 
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