Una nuova scoperta nel campo dei materiali innovativi: i cristalli liquidi quantistici tridimensionali

RICERCA – I computer quantistici ultraveloci sono probabilmente più vicini di quanto si pensi (ne abbiamo già parlato qui, mentre qui abbiamo raccontato alcune nuove scoperte sulle transizioni quantistiche di fase). Esistono, tuttavia, alcuni ostacoli decisamente ardui da superare per poter raggiungere questo rivoluzionario traguardo: uno dei principali è che le proprietà quantistiche sono estremamente “fragili”, nel senso che le informazioni trasportate possono essere facilmente distrutte a causa delle interazioni con l’ambiente circostante.

Una materia assai complessa, che è tuttavia pane quotidiano per i ricercatori dell’Institute for Quantum Information and Matter del Caltech, che hanno appena scoperto un nuovo stato della materia chiamato cristallo liquido quantistico tridimensionale.

Proviamo a fornire un po’ di informazioni di supporto:

• i cristalli liquidi, nel senso tradizionale (non quantistico) del termine, sono particolari composti che hanno la proprietà di esistere in una sorta di condizione intermedia tra lo stato solido e lo stato liquido: scoperti alla fine del diciannovesimo secolo, sono ormai presenti nella maggior parte dei dispositivi muniti di display, come televisori, smartphone etc. Il diffusissimo termine LCD sta appunto per “Liquid Crystal Display”. Le loro proprietà particolari sono dovute al fatto che le molecole che li costituiscono possono fluire liberamente come se fossero nello stato liquidi, ma sono tutte orientate nella stessa direzione, come nel caso dei cristalli solidi.
• i cristalli liquidi quantistici presentano caratteristiche simili, con la fondamentale differenza che in questo caso sono i loro elettroni, e le intere molecole, che possono muoversi liberamente, conservando però direzioni preferenziali di moto.

Già nel 1999 sono stati scoperti, sempre al Caltech, cristalli liquidi quantistici di tipo bidimensionale: all’interno di singoli piani o lamine del materiale, gli elettroni, anzichè muoversi in modo caotico come nei conduttori tradizionali, percorrono traiettorie lungo uno specifico asse. Visto che esibiscono questa proprietà a temperature decisamente più alte dello zero assoluto, tali materiali possono essere utilmente impiegati per condurre elettricità con resistenze molto basse, al limite nulle, proprio come i superconduttori più tradizionali, che al contrario necessitano di trovarsi a temperature vicine allo zero assoluto termico.

La versione tridimensionale appena scoperta presenta caratteristiche ancora più peculiari: non solo gli elettroni orientano la loro corsa in direzioni ben definite nello spazio anzichè su un piano, ma addirittura le proprietà magnetiche sono differenti a seconda della stessa direzione in cui le suddette correnti scorrono.

Un’altra informazione di rilievo è che lo studio del Caltech è stato finanziato (oltre che da varie fondazioni pubbliche e private) dall’U.S. Department of Energy e dall’U.S. Army Research Office: ciò testimonia l’elevata attenzione delle istituzioni governative per la ricerca sui materiali, da cui ci si attendono, evidentemente, notevoli ricadute applicative nel prossimo futuro.

Infatti, un cristallo liquido quantistico tridimensionale sembrerebbe essere un ottimo precursore del cosidetto materiale superconduttore topologico, che dovrebbe consentire di superare i problemi di fragilità nel trasporto delle informazioni nei computer quantistici.

Che cos’è un superconduttore topologico? Si tratta di un materiale che, nel suo volume interno, si comporta come un isolante, cioè non conduce corrente, mentre presenta una superficie esterna che può consentire il moto di elettroni. Inoltre, tali materiali hanno la proprietà che alcune loro caratteristiche restano costanti, resistendo alle possibili perturbazioni indotte dall’ambiente esterno.

Perchè tanto interesse intorno ai materiali topologici? Tali materiali esibiscono per loro natura delle caratteristiche che non cambiano anche in presenza delle perturbazioni dell’ambiente esterno. La caratteristiche fondamentale che si vuole preservare, per un materiale con cui si voglia costruire un efficiente computer quantistico, è la cosiddetta coerenza dello stato: fintanto che esiste una ben precisa relazione tra gli stati di una particella o in un sistema quantistico, si può dire che l’informazione trasportata resta integra. Altrimenti, essa collassa e diventa non più identificabile a causa dell’interferenza esterna: diviene allora, appunto, incoerente.

Ebbene, un computer quantistico topologico ha esattamente questa proprietà: impiega materiali sulla cui superficie le particelle costituenti formano delle traiettorie che si intrecciano secondo geometrie ben precise. Questi intrecci possono essere utilizzati per costituire le porte logiche del calcolatore quantistico.

Il vantaggio principale è che tali intrecci sono una caratteristica intrinseca del materiale, e non devono essere indotti esternamente per intrappolare l’informazione quantistica: proprio per questo motivo, i superconduttori topologici si presentano come candidati assai validi per la costruzione di un computer quantistico stabile ed efficiente.

In quest’ottica, i cristalli liquidi quantistici tridimensionali acquisiscono una importanza fondamentale: possono essere plasmati per produrre superconduttori topologici. Di qui la grande rilevanza della scoperta del Caltech, che apre la possibilità di creare cristalli dotati di caratteristiche speciali, da impiegare, ad esempio, per la costruzione dei computer quantistici di nuova generazione.

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