La materia acaba de ignorar el manual de reglas

Esto no es solo una reflexión académica de laboratorio. Durante décadas, el mayor obstáculo en la carrera por lograr una computadora cuántica funcional ha sido el "ruido". Los bits cuánticos, o cúbits, son notoriamente sensibles. Si una vibración dispersa o un pequeño aumento de calor los afecta, pierden sus datos y todo el sistema colapsa. El descubrimiento de Powell sobre estos estados "Floquet" sugiere que podemos crear materiales que sean efectivamente inmunes a ese caos. Al mantener el material en un estado constante de cambio rítmico, los físicos están creando una clase de estabilidad que la materia estática simplemente no puede proporcionar.

El efecto de luz estroboscópica magnética

Para entender lo que lograron Powell y su colega Louis Buchalter, hay que dejar de pensar en la materia como un bloque sólido e inmutable. Normalmente, un cristal es como una fotografía fija. Los átomos se asientan en sus filas, los electrones circulan y todo el conjunto permanece inmóvil. Pero el equipo de Powell utilizó una técnica llamada ingeniería Floquet. Piense en ello como una luz estroboscópica en una discoteca oscura. Cuando la luz está apagada, no se puede ver a los bailarines. Cuando parpadea a una frecuencia específica, los bailarines parecen moverse en cámara lenta o incluso quedarse quietos en el aire.

La belleza de este enfoque es el control. En la ciencia de materiales tradicional, si desea una propiedad diferente, tiene que encontrar una roca diferente. ¿Quiere algo más conductor? Busque cobre. ¿Quiere algo magnético? Busque hierro. Con la ingeniería Floquet, no cambia la roca; cambia el ritmo. Al ajustar la frecuencia del campo magnético, los investigadores pueden programar propiedades cuánticas específicas sobre la marcha. Esto convierte al material en un lienzo programable.

Extrayendo el fantasma de un fotón

Dentro de un cristal específico llamado óxido de circonio y cerio, el equipo de Dai observó algo que suena a ciencia ficción: fotones emergentes. Por lo general, los fotones son las partículas de luz que viajan a través del vacío del espacio. Pero aquí, estaban surgiendo de un cristal sólido. Estos no son los fotones que provienen del sol; son versiones "fantasmales" que emergen de la danza colectiva de los átomos dentro del material.

Este descubrimiento confirma que podemos crear entornos dentro de sólidos que imitan las leyes fundamentales de todo el universo. Es como tener una versión en miniatura del cosmos atrapada dentro de una piedra preciosa. Para la computación cuántica, esto es una mina de oro. Estas partículas emergentes están "fraccionalizadas", lo que significa que son piezas de un electrón que se han separado efectivamente. Debido a que están distribuidas por todo el material, son increíblemente difíciles de perturbar. No se puede romper algo que ya está intencionalmente roto y disperso a través de mil átomos.

Cuando los electrones abandonan sus empleos habituales

La extrañeza no se detiene en los pulsos magnéticos o los fotones fantasma. En laboratorios de todo el mundo, los electrones están comenzando a comportarse de maneras que desafían todos los libros de texto existentes. Durante un siglo, hemos tratado a los electrones como pequeñas bolas de billar que recorren cables. Pero las nuevas investigaciones sobre materia exótica muestran que, bajo las condiciones adecuadas, los electrones simplemente dejan de actuar como partículas por completo.

En ciertos materiales cuánticos, los electrones comienzan a fluir como un líquido sin fricción. En otros, pierden su identidad individual y actúan como una onda colectiva única. Esto es una pesadilla para la física clásica, pero un sueño para los ingenieros. Si un electrón no actúa como una partícula, no rebota contra las cosas. Si no rebota, no genera calor. Si no genera calor, puede construir una computadora que no necesita un ventilador de enfriamiento y nunca se ralentiza.

El inconveniente, como siempre, es el entorno. La mayoría de estos estados requieren temperaturas más frías que las del espacio profundo o campos magnéticos lo suficientemente fuertes como para levantar un automóvil. Es por esto que la ingeniería Floquet de Powell es tan vital. Al utilizar campos dependientes del tiempo para "impulsar" la materia, podríamos ser capaces de engañar a estos materiales para que permanezcan en estos estados exóticos a temperaturas más altas y bajo condiciones menos extremas. Es la diferencia entre necesitar un superenfriador refrigerado con nitrógeno líquido y tener un dispositivo que funcione en su escritorio.

El estándar de oro de la violencia cósmica

Es posible que se pregunte por qué estamos obsesionados con estos estados de la materia frágiles y parpadeantes en un laboratorio. La respuesta reside en la joya de su dedo o en el oro de su teléfono inteligente. Durante décadas, tuvimos un "misterio nuclear" sobre de dónde provienen realmente los elementos pesados como el oro. Sabíamos que no se fabricaban en el vientre de las estrellas como el oxígeno o el carbono; la física allí no es lo suficientemente violenta.

Resulta que el oro es el resultado del experimento de materia exótica definitivo: la colisión de estrellas de neutrones. Una estrella de neutrones es esencialmente un núcleo atómico gigante del tamaño de una ciudad. Es la forma más extrema de materia en el universo observable. Cuando dos de ellas chocan, crean condiciones tan extrañas que las reglas de la tabla periódica se arrojan por la ventana. En ese caos, los neutrones son empujados hacia los átomos a tal velocidad que los elementos pesados se forjan en segundos.

El fin del mundo estático

El cambio que estamos viendo es de una visión "estática" del universo a una "dinámica". Durante la mayor parte de la historia humana, miramos una roca y vimos una roca. Ahora, miramos un material y vemos un conjunto de posibilidades que pueden desbloquearse con el ritmo correcto. El trabajo de Ian Powell con la ingeniería Floquet ha demostrado que las "limitaciones" de la materia son, en su mayoría, solo una falta de imaginación. Si un material no tiene la propiedad que necesita, puede hacerlo vibrar hasta que la tenga.

Louis Buchalter, el estudiante investigador que trabajó en el estudio de Cal Poly, señaló que la investigación rara vez es una línea recta. Se necesitó persistencia para trazar el "diagrama de fase topológico", esencialmente un mapa de dónde viven estos estados imposibles de la materia. Este mapa es ahora una guía para la próxima generación de ingenieros. No buscarán elementos nuevos; buscarán nuevas formas de pulsar energía a través de los que ya tenemos.

Estamos entrando en una era donde el hardware de nuestra tecnología será tan fluido como el software. Imagine un procesador que cambia sus propiedades físicas según la tarea que está realizando. ¿Necesita procesar números? El material cambia a un estado Floquet de alta estabilidad. ¿Necesita transmitir datos? Parpadea convirtiéndose en un líquido de espín cuántico con luz emergente. La materia misma se convierte en la máquina. Suena a magia, pero como demuestran los resultados de laboratorio, es solo física con un mejor ritmo.

La búsqueda de estos estados exóticos no es para probar una teoría. Es para sobrevivir en la era de los datos. A medida que nuestra demanda de potencia informática alcanza los límites físicos del silicio y el cobre, no tenemos más remedio que empezar a romper las reglas. Estamos conjurando materia que no debería existir porque la materia que sí existe ya no puede seguirnos el ritmo. Los fantasmas en la máquina finalmente están siendo puestos a trabajar.