I fisici stanno dando vita a una materia impossibile

La tensione in questo ambito risiede nella fragilità della nostra tecnologia attuale. Al momento stiamo cercando di costruire computer quantistici utilizzando materiali notoriamente temperamentali. Se una singola molecola di calore vagante sfiora anche solo un bit quantistico, o qubit, l'intero sistema collassa. Creando questi stati esotici dipendenti dal tempo, Powell e il suo studente ricercatore Louis Buchalter hanno trovato un modo per rendere i sistemi quantistici significativamente più stabili. Risulta che, se si mantiene la materia in uno stato di cambiamento costante e ritmico, diventa più difficile per il rumore esterno romperla.

L'effetto luce stroboscopica per il mondo quantistico

Per capire cosa hanno ottenuto Powell e Buchalter, bisogna smettere di pensare alla materia come a qualcosa di solido e immobile. A livello quantistico, tutto è una vibrazione. Di solito, queste vibrazioni si stabilizzano in un solco prevedibile. L'ingegneria di Floquet è essenzialmente il processo di colpire un materiale con una "luce stroboscopica" di energia — in questo caso, un campo magnetico variabile — per forzare quelle vibrazioni in un modello nuovo ed esotico. È come prendere un mucchio di sabbia e far vibrare il pavimento in modo così specifico che i granelli di sabbia non se ne stiano semplicemente lì, ma rimangano sospesi a formare la sagoma di una cattedrale.

Il team della Cal Poly ha utilizzato un processo che hanno chiamato "Flux-Switching Floquet Engineering". Sembra qualcosa tratto da un reboot di fantascienza di metà anni novanta, ma le meccaniche si basano su un principio organizzativo matematico che rispecchia sistemi a dimensioni superiori. Guidando il sistema con impulsi magnetici temporizzati, hanno sbloccato fasi quantistiche "topologicamente protette". In parole povere, ciò significa che lo stato della materia è bloccato dalla sua stessa geometria. Non è possibile romperlo facilmente perché la forma stessa della sua esistenza impedisce che si disfi.

Questo è un fatto enorme per il futuro dell'informatica. Uno dei maggiori ostacoli a un computer quantistico funzionale è il "rumore", l'interferenza ambientale che causa errori. Se riusciamo a costruire qubit basati su questi stati guidati ed esotici, non li stiamo solo rendendo più veloci; li stiamo rendendo robusti. Stiamo passando dal costruire computer fatti di vetro al costruirli di acciaio rinforzato. Ma il compromesso è l'energia. Bisogna mantenere il sistema "guidato" affinché la materia continui a esistere. Nel momento in cui si interrompe lo sfarfallio, il gioco di prestigio finisce e la materia svanisce, tornando al suo sé noioso e statico.

Perché questo cristallo contiene fotoni fantasma?

Un liquido di spin quantistico è un termine un po' improprio. Non è bagnato. Invece, il "liquido" si riferisce ai momenti magnetici — gli spin — degli atomi all'interno del cristallo. In un magnete normale, come quello sul frigorifero, questi spin puntano tutti nella stessa direzione o seguono un modello ordinato. In un liquido di spin quantistico, gli spin sono in uno stato di totale, frenetico disordine anche allo zero assoluto. Sono "frustrati", il che significa che non riescono mai a trovare un posto comodo in cui stabilizzarsi. Poiché sono costantemente in movimento e intrecciati, creano particelle "fantasma": eccitazioni che si comportano esattamente come la luce, ma che esistono solo entro i confini del materiale.

Possiamo davvero usare una materia che si rifiuta di seguire le regole?

Il filo conduttore tra la materia tremolante della Cal Poly e i fotoni fantasma alla Rice è un rifiuto totale della fisica classica. Stiamo entrando in un'era in cui non ci chiediamo più cosa *sia* un materiale, ma cosa possa *fare* quando viene spinto al limite. Questo vale anche per il grafene. I ricercatori hanno recentemente osservato elettroni nel grafene fluire come un liquido quasi senza attrito, sfidando una legge fondamentale della fisica secondo cui gli elettroni dovrebbero sfrecciare come singoli flipper. Invece, si muovono come miele, se il miele potesse fluire attraverso un tubo alla velocità della luce senza mai bloccarsi.

Poi ci sono i quasicristalli. Per 40 anni abbiamo lottato per comprendere questi materiali che sembrano avere un modello ma non si ripetono mai. Sono i mosaici del mondo quantistico: belli, complessi e apparentemente impossibili. Gli scienziati dell'Università del Michigan hanno finalmente decifrato il codice su come crescono, rivelando che si collocano a metà strada tra ordine e caos. Come gli stati di Floquet, i quasicristalli rappresentano una via di mezzo che non dovrebbe esistere, fornendo un ponte tra il mondo prevedibile di un cristallo di sale e la totale casualità di un gas.

Le implicazioni industriali sono sbalorditive, ma dobbiamo essere realistici. Non avremo smartphone alimentati dalla tecnologia Floquet l'anno prossimo. Ian Powell è il primo ad ammettere che la rilevanza più diretta riguarda la simulazione e la ricerca quantistica. Il percorso da un laboratorio della Cal Poly a uno stabilimento di produzione a Shenzhen è lungo e lastricato di esperimenti falliti. Ma il muro concettuale è stato abbattuto. Ora sappiamo che, se non riusciamo a trovare il materiale di cui abbiamo bisogno per una tecnologia specifica, potremmo essere in grado di farlo semplicemente vibrare fino a farlo esistere usando campi magnetici.

Il futuro della tecnologia è solo una vibrazione ben temporizzata?

Se sei seduto sull'autobus a leggere questo, probabilmente hai in mano un dispositivo fatto di silicio, rame e plastica: materiali che comprendiamo da oltre un secolo. Il prossimo salto non sarà una versione migliore di quei materiali. Sarà qualcosa che sembrerà stregoneria. Stiamo guardando a un mondo in cui il nostro hardware è "guidato" da campi dipendenti dal tempo, dove la nostra energia si muove attraverso cristalli tramite particelle fantasma e dove i nostri computer sono costruiti a partire da stati della materia che tecnicamente non esistono quando l'alimentazione è spenta.

C'è una certa ironia nel fatto che più impariamo a conoscere i mattoni fondamentali dell'universo, più ci rendiamo conto di quanto poco ne abbiamo utilizzato. Abbiamo suonato il piano usando solo tre tasti. L'ingegneria di Floquet e la scoperta dei liquidi di spin 3D sono come se qualcuno finalmente aprisse il coperchio e ci mostrasse gli altri 85. È disordinato, è complicato e infrange la maggior parte delle regole che pensavamo fossero scolpite nella pietra. Ma come ha notato Louis Buchalter dopo il suo tempo in laboratorio, la ricerca è raramente un processo lineare. Si tratta di persistenza e della volontà di guardare un campo magnetico chiedendosi cosa succederebbe se si azionasse l'interruttore più velocemente di quanto chiunque pensasse si dovesse fare.

Il prossimo decennio di fisica non riguarderà la scoperta di nuovi elementi alla fine della tavola periodica. Riguarderà gli stati strani, tremolanti, frustrati e privi di attrito che possiamo creare negli spazi tra di essi. Non siamo più solo osservatori del mondo fisico. Ne siamo gli editori, che riscrivono il codice della materia in tempo reale, un impulso magnetico alla volta. Le leggi della fisica non sono cambiate, ma la nostra capacità di aggirarle certamente sì. E in quel divario tra ciò che è e ciò che potrebbe essere, la prossima rivoluzione tecnologica sta prendendo vita grazie alle vibrazioni.