「三次元量子液晶」を発見、量子コンピュータに応用期待 - Caltech

カリフォルニア工科大学(Caltech)の研究チームは、三次元状態で存在する「量子液晶」を発見したと発表した。これまで二次元の量子液晶の存在は知られていたが、三次元のものが確認されたのは今回がはじめて。将来的には、量子コンピュータ向けのトポロジカル超伝導体などに応用できると期待される。研究論文は、科学誌「Science」に掲載された。

左は、レニウム系金属化合物の通常の結晶構造から得られる二次高調波のパターン。右は量子液晶の状態のパターンであり、試料の原子構造からの極端なずれが現れている(出所:Caltech)

液晶は、液体のように自由に流動するが、同時に固体と同じような結晶構造をもっており、液体と固体の性質をあわせもった中間的な物質の状態であるとされる。自然界では生物の細胞膜に液晶の性質があり、工学的には液晶ディスプレイなどにも利用されている。

量子液晶では、物質中の電子が液晶分子に似た挙動を見せる。すなわち、量子液晶中の個々の電子は、その位置について無秩序だが、電子のスピンについては一定方向への配向秩序が現れる。これは、古典的なネマティック液晶において、液晶分子の配向に秩序が現れるのとよく似た性質であるといえる。

量子液晶は、1999年、Caltechの研究者Jim Eisenstein氏らによってはじめて確認された。このときの量子液晶は、人工的に成長させたガリウム-砒素系の金属母材内の二次元平面に閉じ込められた電子系であった。このような二次元の量子液晶はその後、他にもいくつかの物質で見つかっており、その中には臨界温度マイナス150℃程度の高温超伝導体も含まれている。

三次元の量子液晶では、電子のスピン方向の秩序化にともなって、磁性についても特異な性質が現れる。量子液晶中を流れる電流の方向に依存して、磁性が現れたり消えたり、あるいは磁場の強度と方向が変化したりする性質である。これは、結晶格子の対称性が電子によって破られている状態であるともいえる。

二次元量子液晶には高温超伝導体に関係した性質が見られるが、三次元量子液晶では、トポロジカル超伝導体と呼ばれる状態との関連が注目される。トポロジカル超伝導体は、量子コンピュータにおいて、壊れやすく不安定な量子状態を周囲環境の影響から守って安定化させるために利用できるとして研究が進められている。研究チームは、三次元量子液晶がトポロジカル超伝導体の前駆体になる可能性があると指摘している。また、電子のスピンを制御して電子デバイスとして利用するスピンエレクトロニクスの分野での応用も期待できる。

なお、今回の三次元量子液晶は、レニウム系の金属化合物の原子構造を研究しているときに、偶然発見されたものであるという。レーザー光を物質に当てたときに、レーザー光の2倍の周波数の光(二次高調波)が反射して戻ってくる現象を利用して結晶格子の原子構造を調べる実験を行ったところ、試料の原子構造からは説明のつかない情報を含んだ光のパターンが観測された。研究チームは当初、この現象が何なのかわからなかったが、マサチューセッツ工科大学(MIT)の物理学教授Liang Fu氏が提唱した三次元量子液晶の概念を用いることで、測定された光のパターンを完全に説明できることが確認されたという。



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