Жидкие кристаллы известны науке уже значительное время. С точки зрения физики данные удивительные и уникальные вещества характеризуются промежуточным состоянием между жидкостью и твердым кристаллом. Молекулы таких структур обладают большой подвижностью, свойственной жидким средам, однако под воздействием определенных факторов они приобретают упорядоченную пространственную ориентацию, характерную для кристаллических систем. Жидкие кристаллы встречаются в живой природе — например, они являются компонентами клеточных мембран. В то же время их производство методом синтеза является доступным процессом; технологии на основе жидких кристаллов широко применяются в производстве дисплеев современных компьютеров, мобильных телефонов и телевизионных экранов.

Ученые-физики из Института квантовой информации и материи (Institute for Quantum Information and Matter) Калифорнийского технологического института (Caltech) обнаружили своего рода квантовый аналог жидких кристаллов, новое уникальное состояние материи, которое можно использовать в технологиях квантовых вычисления и коммуникаций. “И это все является только вершиной айсберга” – рассказывает Дэвид Хсих (David Hsieh), научный руководитель исследовательской группы, – На свете может существовать огромное количество различных классов и видов таких квантовых жидких кристаллов, каждый из которых обладает своими уникальными свойствами и может оказаться полезным в различных квантовых технологиях”.

В квантовом “жидком кристалле” электроны ведут себя подобно молекулам классических жидких кристаллов. Эти электроны движутся произвольным образом и перемешиваются, но имеют общее привилегированное направление движения. Такой первый квантовый жидкий кристалл был впервые обнаружен в 1999 году профессором Джимом Айзенштайном (Jim Eisenstein) из Калифорнийского технологического института, но он был двухмерным, привилегированное направление движения электронов находилось на плоскости поверхности материала, слоя металла, осажденного на основании из арсенида галлия. Такие двухмерные квантовые жидкие кристаллы были найдены позже в среде других материалов, большинство из которых относится к высокотемпературным сверхпроводникам, переходящим в состояние сверхпроводимости при температуре -150 градусов Цельсия.

А недавно, ученые из Калифорнийского технологического института, работая совместно с учеными из Национальной лаборатории Ок-Ридж и университета Теннеси, нашли первый в своем роде трехмерный квантовый “жидкий кристалл”. Это состояние материи еще более причудливо, нежели двухмерный “жидкий кристалл”, в этом новом состоянии материи движение электронов разнится не только по отношению к осям x и y, но и по отношению к оси z. Более того, такой трехмерный квантовый “жидкий кристалл” имеет различные магнитные свойства, зависящие от привилегированного направления движения электронов в его среде.

“Управляющий электрический ток, пропущенный через такой материал, может “переключить” его из магнитного в немагнитное состояние и наоборот” – пишут исследователи, – “Более того, управляя текущим электрическим током, мы имеем возможность контролировать ориентацию и силу магнитного поля материала. Ученые из области теоретической физики утверждают, что такое необычное движение электронов “ломает” принципы симметрии кристаллической решетки”.

Отметим, что ученые наткнулись на данный феномен совершенно случайно. Изначально ученые занимались изучением строения кристаллической решетки и поведения атомов рения. Для этого они использовали достаточно оригинальную технологию под названием второй гармоники оптической вращательной анизотропии (optical second-harmonic rotational anisotropy). Суть этого метода заключается в том, что при освещении материала лазерным светом он отражал свет с два раза большей частотой, чем частота исходного света. И в образах отраженного света заключалась информация о внутреннем строении и симметрии кристалла материала. Однако, образцы отраженного света в данном случае были весьма странными с точки зрения ученых и их особенности не могли быть объяснены с точки зрения особенностей строения атомов исследуемого материала.

“Изначально мы не могли понять, что происходило на самом деле” – пишут исследователи, – “Но после изучения работ Лиан Фу (Liang Fu), профессора физики из Массачусетского технологического института, в которых приведено теоретическое описание трехмерных квантовых “жидких кристаллов”, все стало на свои места. И мы нашли объяснения всем замеченным странностям”.

Пока еще очень рано говорить о возможности практического применения результатов данного открытия. Но ученые считают, что это открытие и квантовые “жидкие кристаллы” смогут стать основой так называемых спинтронных устройств, устройств, выполняющих передачу и обработку информации при помощи направленных волн спинов (направлений вращения электронов). Кроме этого, данное открытие может послужить объяснением некоторых наблюдаемых учеными причуд квантового мира, что в свою очередь позволит более уверенно использовать в своих целях природу квантовых частиц разного типа.

Для любознательных

В повседневной жизни мы привыкли к жидким кристаллам — особому состоянию вещества, сочетающему свойства жидкости и кристалла. Они текут, как жидкость, но их молекулы упорядочены, как в твёрдом теле. Именно это позволяет им управлять светом — поэтому они лежат в основе экранов телевизоров, телефонов и мониторов.

Но что, если в квантовом мире существует нечто похожее — аналог жидких кристаллов, где не молекулы, а квантовые частицы (например, атомы, электроны или фотоны) образуют гибридное состояние порядка и подвижности? Это уже не фантастика, а одна из самых интригующих областей современной физики — квантовые нематические фазы и топологически упорядоченные состояния.

Что такое «квантовый аналог жидких кристаллов»?

В классических жидких кристаллах молекулы выстраиваются в определённом направлении (директоре), но могут свободно перемещаться. В квантовом мире аналогичное поведение проявляют электроны в двумерных системах или ультрахолодные атомы в оптических решётках.

Учёные обнаружили, что при очень низких температурах и сильных магнитных полях электроны в некоторых материалах (например, в двумерных сверхпроводниках или графене) могут образовывать состояние, напоминающее жидкие кристаллы. Оно называется нематической фазой.

В такой фазе:

• Нет полной кристаллической решётки, как в твёрдом теле.
• Но есть направление предпочтительного упорядочения — например, электроны “тянутся” вдоль одной оси, нарушая симметрию пространства.
• Система остаётся текучей, как жидкость, но с квантовыми корреляциями.

Это и есть квантовый аналог жидких кристаллов — квантовая нематическая фаза.

Где и как это проявляется?

1. В высокотемпературных сверхпроводниках — например, в купратных сверхпроводниках (YBCO, LSCO) при определённых уровнях “легирования” (введения примесей) электроны образуют нематические домены. Это может быть ключом к пониманию механизма сверхпроводимости.
2. В двумерных материалах — таких как бисульфид вольфрама (WS₂) или графен, где электронные жидкости под действием магнитного поля ведут себя как упорядоченные, но текучие среды.
3. В ультрахолодных атомах — в лабораториях атомы охлаждаются до температур в нанокельвины и помещаются в оптические ловушки. В таких системах можно напрямую наблюдать формирование квантовых нематических фаз.

Кто в мире занимается этой темой?

1. MIT (США) — группа профессора Ричарда Флетчера и Мартина Цвайрлера изучает квантовые жидкости в двумерных системах с использованием ультрахолодных атомов.
2. Stanford University (США) — исследователи под руководством Амита Вишваната работают с квантовыми нематическими фазами в контексте высокотемпературной сверхпроводимости.
3. Max Planck Institute for Solid State Research (Германия) — изучают электронные нематические фазы в купратах и железосодержащих сверхпроводниках.
4. University of Tokyo (Япония) — проводят эксперименты по визуализации нематического порядка в тонких плёнках с помощью сканирующей туннельной микроскопии.
5. Harvard University (США) — используют оптические решётки для моделирования квантовых аналогов жидких кристаллов с атомами стронция и лития.

Кто в России занимается разработкой аналогов жидких кристаллов в квантовом мире?

В России исследования в этой области ведутся на стыке теоретической физики, квантовой электроники и материаловедения:

1. Московский физико-технический институт (МФТИ) — в Центре теоретических и математических физических исследований ведутся работы по топологическим и нематическим фазам в двумерных системах. Учёные моделируют поведение электронных жидкостей в графене и других 2D-материалах.
2. Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН (Черноголовка) — здесь разрабатывают теоретические модели квантовых нематиков и спиновых жидкостей, которые могут проявлять свойства, аналогичные жидким кристаллам.
3. СПбГУ (Санкт-Петербургский государственный университет) — физики экспериментально исследуют электронный транспорт в низкоразмерных системах, включая признаки нематического упорядочения.
4. НИТУ «МИСиС» — разрабатывают новые 2D-материалы (например, дихалькогениды переходных металлов), в которых можно реализовать квантовые нематические фазы.
5. Российский квантовый центр (РКЦ) — совместно с МФТИ и ИТФ проводит исследования в области квантовых симуляций с использованием холодных атомов и фотонных систем, где можно моделировать поведение “квантовых жидких кристаллов”.

Почему это важно?

Понимание квантовых аналогов жидких кристаллов может привести к:

• Новым типам квантовых устройств, где информация управляется не током, а направлением квантового порядка.
• Созданию более устойчивых квантовых битов (кубитов), защищённых топологическим порядком.
• Разработке принципиально новых материалов — например, топологических сверхпроводников, необходимых для построения фолиевских кубитов (на основе майорана-фермионов).

Заключение

Квантовый мир полон сюрпризов. То, что мы привыкли видеть в виде упорядоченных молекул в экране телефона, в микромире превращается в тончайший баланс между порядком и хаосом — квантовые нематические фазы, где электроны “выстраиваются в шеренгу”, но продолжают “плавать”, как в жидкости. Это не просто красивая аналогия — это новая физика, которая может изменить будущее электроники, квантовых компьютеров и материаловедения.

И хотя мировое лидерство пока за США, Германией и Японией, Россия активно входит в эту гонку, создавая как теоретические основы, так и экспериментальные платформы. Кто знает — может быть, именно в российской лаборатории впервые удастся “зажечь” квантовый дисплей нового поколения?