La materia ha appena infranto le regole

Non si tratta solo di elucubrazioni da laboratorio. Per decenni, il principale ostacolo nella corsa verso un computer quantistico funzionale è stato il "rumore". I bit quantistici, o qubit, sono notoriamente sensibili. Se una vibrazione vagante o un minuscolo picco di calore li colpisce, perdono i propri dati e l'intero sistema va in crash. La scoperta di Powell di questi stati di "Floquet" suggerisce che possiamo creare materiali effettivamente immuni a quel caos. Mantenendo il materiale in un costante stato di cambiamento ritmico, i fisici stanno creando un tipo di stabilità che la materia statica semplicemente non può offrire.

L'effetto luce stroboscopica magnetica

Per capire cosa hanno ottenuto Powell e il suo collega Louis Buchalter, bisogna smettere di pensare alla materia come a un blocco solido e immutabile. Normalmente, un cristallo è come una fotografia statica. Gli atomi siedono nelle loro file, gli elettroni sfrecciano intorno e l'intero oggetto rimane al suo posto. Ma il team di Powell ha utilizzato una tecnica chiamata ingegneria di Floquet. Immaginatela come una luce stroboscopica in un locale buio. Quando la luce è spenta, non si possono vedere i ballerini. Quando lampeggia a una frequenza specifica, i ballerini sembrano muoversi al rallentatore o addirittura stare fermi a mezz'aria.

Il bello di questo approccio è il controllo. Nella scienza dei materiali tradizionale, se vuoi una proprietà diversa, devi trovare una pietra diversa. Vuoi qualcosa di più conduttivo? Trova del rame. Vuoi qualcosa di magnetico? Trova del ferro. Con l'ingegneria di Floquet, non cambi la pietra; cambi il ritmo. Sintonizzando la frequenza del campo magnetico, i ricercatori possono impostare specifiche proprietà quantistiche al volo. Trasforma il materiale in una tela programmabile.

Estrarre il fantasma di un fotone

All'interno di uno specifico cristallo chiamato ossido di cerio e zirconio, il team di Dai ha osservato qualcosa che sembra fantascienza: fotoni emergenti. Solitamente, i fotoni sono particelle di luce che viaggiano attraverso il vuoto dello spazio. Ma qui, saltavano fuori da un cristallo solido. Non si tratta dei fotoni provenienti dal sole; sono versioni "spettrali" che emergono dalla danza collettiva degli atomi all'interno del materiale.

Questa scoperta conferma che possiamo creare ambienti all'interno dei solidi che mimano le leggi fondamentali dell'intero universo. È come avere una versione in miniatura del cosmo intrappolata all'interno di una pietra preziosa. Per il calcolo quantistico, questa è una miniera d'oro. Queste particelle emergenti sono "frazionalizzate", il che significa che sono pezzi di un elettrone che si sono effettivamente separati. Poiché sono distribuite attraverso il materiale, sono incredibilmente difficili da disturbare. Non puoi rompere qualcosa che è già intenzionalmente rotto e sparso su mille atomi.

Quando gli elettroni lasciano il loro lavoro quotidiano

La stranezza non si ferma agli impulsi magnetici o ai fotoni fantasma. Nei laboratori di tutto il mondo, gli elettroni stanno iniziando a comportarsi in modi che sfidano ogni libro di testo. Per un secolo, abbiamo trattato gli elettroni come minuscole palle da biliardo che sfrecciano attraverso i fili. Ma la nuova ricerca sulla materia esotica mostra che, nelle giuste condizioni, gli elettroni smettono semplicemente di agire come particelle.

In certi materiali quantistici, gli elettroni iniziano a fluire come un liquido senza attrito. In altri, perdono la loro identità individuale e agiscono come un'unica onda collettiva. Questo è un incubo per la fisica classica, ma un sogno per gli ingegneri. Se un elettrone non agisce come una particella, non rimbalza contro le cose. Se non rimbalza, non crea calore. Se non crea calore, puoi costruire un computer che non ha bisogno di una ventola di raffreddamento e non rallenta mai.

Il problema, come sempre, è l'ambiente. La maggior parte di questi stati richiede temperature più fredde dello spazio profondo o campi magnetici abbastanza forti da sollevare un'auto. Ecco perché l'ingegneria di Floquet di Powell è così vitale. Utilizzando campi dipendenti dal tempo per "guidare" la materia, potremmo essere in grado di ingannare questi materiali affinché rimangano in questi stati esotici a temperature più elevate e in condizioni meno estreme. È la differenza tra aver bisogno di un super-frigorifero raffreddato ad azoto liquido e avere un dispositivo che funziona sulla tua scrivania.

Il gold standard della violenza cosmica

Potreste chiedervi perché ci stiamo ossessionando con questi stati della materia fragili e tremolanti in un laboratorio. La risposta risiede nel gioiello al vostro dito o nell'oro nel vostro smartphone. Per decenni, abbiamo avuto un "mistero nucleare" riguardo alla provenienza degli elementi pesanti come l'oro. Sapevamo che non erano creati nel ventre delle stelle come l'ossigeno o il carbonio; la fisica lì non è abbastanza violenta.

Si scopre che l'oro è il risultato dell'esperimento di materia esotica definitivo: la collisione di stelle di neutroni. Una stella di neutroni è essenzialmente un nucleo atomico gigante delle dimensioni di una città. È la forma più estrema di materia nell'universo osservabile. Quando due di esse si scontrano, creano condizioni così bizzarre che le regole della tavola periodica vengono gettate dalla finestra. In quel caos, i neutroni vengono spinti negli atomi a una velocità tale che gli elementi pesanti vengono forgiati in pochi secondi.

La fine del mondo statico

Il cambiamento a cui stiamo assistendo è quello da una visione "statica" dell'universo a una "dinamica". Per gran parte della storia umana, abbiamo guardato una roccia e visto una roccia. Ora, guardiamo un materiale e vediamo una serie di possibilità che possono essere sbloccate con il giusto ritmo. Il lavoro di Ian Powell con l'ingegneria di Floquet ha dimostrato che i "limiti" della materia sono per lo più solo una mancanza di immaginazione. Se un materiale non ha la proprietà di cui hai bisogno, puoi farlo vibrare finché non ce l'ha.

Louis Buchalter, lo studente ricercatore che ha lavorato allo studio della Cal Poly, ha osservato che la ricerca è raramente una linea retta. C'è voluta perseveranza per mappare il "diagramma di fase topologico", essenzialmente una mappa di dove vivono questi stati impossibili della materia. Questa mappa è ora una guida per la prossima generazione di ingegneri. Non cercheranno nuovi elementi; cercheranno nuovi modi per far pulsare energia attraverso quelli che già abbiamo.

Stiamo entrando in un'era in cui l'hardware della nostra tecnologia sarà fluido quanto il software. Immaginate un processore che cambia le sue proprietà fisiche in base al compito che sta eseguendo. Avete bisogno di elaborare numeri? Il materiale passa a uno stato di Floquet ad alta stabilità. Avete bisogno di trasmettere dati? Lampeggia in un liquido di spin quantistico con luce emergente. La materia stessa diventa la macchina. Sembra magia, ma come mostrano i risultati di laboratorio, è solo fisica con un ritmo migliore.

La ricerca di questi stati esotici non serve a dimostrare una teoria. Serve alla sopravvivenza nell'era dei dati. Poiché la nostra richiesta di potenza di calcolo raggiunge i limiti fisici del silicio e del rame, non abbiamo altra scelta che iniziare a infrangere le regole. Stiamo evocando materia che non dovrebbe esistere perché la materia che esiste non riesce più a stare al passo con noi. I fantasmi nella macchina stanno finalmente iniziando a lavorare.