Natuurkundigen laten onmogelijke materie flikkerend ontstaan

De spanning zit hem hier in de kwetsbaarheid van onze huidige technologie. We proberen momenteel kwantumcomputers te bouwen met materialen die berucht wispelturig zijn. Als een verdwaald warmtemolecuul ook maar even in contact komt met een kwantumbit, of qubit, stort het hele systeem in. Door deze exotische, tijdsafhankelijke toestanden te creëren, hebben Powell en zijn student-onderzoeker Louis Buchalter een manier gevonden om kwantumsystemen aanzienlijk stabieler te maken. Het blijkt dat als je materie in een staat van constante, ritmische verandering houdt, het voor externe ruis moeilijker wordt om deze te verstoren.

Het stroboscoopeffect voor de kwantumwereld

Om te begrijpen wat Powell en Buchalter hebben bereikt, moet je stoppen met het beschouwen van materie als een solide, onbeweeglijk object. Op kwantumniveau is alles een trilling. Meestal vallen deze trillingen in een voorspelbaar patroon. Floquet-engineering is in essentie het proces waarbij een materiaal wordt bestookt met een "stroboscoop" van energie — in dit geval een variërend magnetisch veld — om die trillingen in een nieuw, exotisch patroon te dwingen. Het is alsof je een hoop zand neemt en de vloer zo specifiek laat trillen dat de zandkorrels niet zomaar blijven liggen, maar zweven in de vorm van een kathedraal.

Het team van Cal Poly gebruikte een proces dat ze "Flux-Switching Floquet Engineering" noemden. Het klinkt als iets uit een sciencefictionfilm uit de jaren negentig, maar de mechanica is gebaseerd op een wiskundig ordeningsprincipe dat systemen in hogere dimensies weerspiegelt. Door het systeem aan te sturen met getimede magnetische verschuivingen, ontgrendelden ze kwantumfasen die "topologisch beschermd" zijn. In gewone mensentaal betekent dit dat de toestand van de materie wordt vastgelegd door zijn eigen geometrie. Je kunt het niet zomaar verbreken, omdat de vorm van zijn bestaan zelf voorkomt dat het uit elkaar valt.

Dit is een enorme doorbraak voor de toekomst van computertechnologie. Een van de grootste obstakels voor een functionele kwantumcomputer is "ruis" — de omgevingsinterferentie die fouten veroorzaakt. Als we qubits kunnen bouwen uit deze gedreven, exotische toestanden, maken we ze niet alleen sneller; we maken ze robuust. We stappen over van het bouwen van computers van glas naar het bouwen ervan van versterkt staal. Maar de keerzijde is energie. Je moet het systeem "gedreven" houden om de materie te laten bestaan. Zodra je stopt met flikkeren, eindigt de goocheltruc en verdwijnt de materie terug in zijn saaie, statische zelf.

Waarom bevat dit kristal spookfotonen?

Een kwantumspinvloeistof is een beetje een misleidende term. Het is niet nat. De "vloeistof" verwijst naar de magnetische momenten — de spins — van de atomen in het kristal. In een normale magneet, zoals die op je koelkast, wijzen deze spins allemaal in dezelfde richting of volgen ze een net patroon. In een kwantumspinvloeistof bevinden de spins zich in een staat van totale, koortsachtige wanorde, zelfs bij het absolute nulpunt. Ze zijn "gefrustreerd", wat betekent dat ze nooit een comfortabele plek vinden om tot rust te komen. Omdat ze constant bewegen en verstrengeld zijn, creëren ze "spookdeeltjes" — excitaties die zich precies gedragen als licht, maar alleen bestaan binnen de grenzen van het materiaal.

Kunnen we materie gebruiken die weigert de regels te volgen?

De rode draad tussen de flikkerende materie bij Cal Poly en de spookfotonen bij Rice is een totale verwerping van de klassieke fysica. We gaan een tijdperk in waarin we niet langer vragen wat een materiaal *is*, maar wat het *kan doen* als het tot het uiterste wordt gedreven. Dit geldt ook voor grafeen. Onderzoekers zagen onlangs elektronen in grafeen stromen als een vrijwel wrijvingsloze vloeistof, waarmee ze een fundamentele natuurwet trotseerden die stelt dat elektronen als individuele flipperballetjes zouden moeten rondschieten. In plaats daarvan bewegen ze als honing — mits honing met de snelheid van het licht door een buis zou kunnen stromen zonder ooit vast te lopen.

En dan zijn er nog de quasikristallen. Al 40 jaar worstelen we om deze materialen te begrijpen die eruitzien alsof ze een patroon hebben, maar dat nooit echt herhalen. Het zijn de mozaïeken van de kwantumwereld — prachtig, complex en schijnbaar onmogelijk. Wetenschappers aan de University of Michigan hebben eindelijk de code gekraakt van hoe deze groeien, waarbij ze onthulden dat ze de grens opzoeken tussen orde en chaos. Net als de Floquet-toestanden vertegenwoordigen quasikristallen een middenweg die eigenlijk niet zou mogen bestaan, en vormen ze een brug tussen de voorspelbare wereld van een zoutkristal en de totale willekeur van een gas.

De industriële implicaties zijn duizelingwekkend, maar we moeten realistisch blijven. We zullen volgend jaar geen smartphones met Floquet-technologie hebben. Ian Powell is de eerste om toe te geven dat de meest directe relevantie ligt bij kwantumsimulatie en onderzoek. De weg van een laboratorium in Cal Poly naar een fabriek in Shenzhen is lang en geplaveid met mislukte experimenten. Maar de conceptuele muur is doorbroken. We weten nu dat als we het materiaal dat we nodig hebben voor een specifieke technologie niet kunnen vinden, we het misschien gewoon tot leven kunnen laten trillen met behulp van magnetische velden.

Is de toekomst van technologie slechts een perfect getimede trilling?

Als je dit leest in de bus, houd je waarschijnlijk een apparaat vast dat gemaakt is van silicium, koper en plastic — materialen die we al meer dan een eeuw begrijpen. De volgende sprong zal geen betere versie van die materialen zijn. Het zal iets zijn dat aanvoelt als tovenarij. We kijken naar een wereld waarin onze hardware wordt "aangedreven" door tijdsafhankelijke velden, waarin onze energie via spookdeeltjes door kristallen beweegt, en waarin onze computers zijn gebouwd uit toestanden van materie die technisch gezien niet bestaan als de stroom is uitgeschakeld.

Er zit een zekere ironie in het feit dat hoe meer we leren over de fundamentele bouwstenen van het universum, hoe meer we beseffen hoe weinig we ervan hebben gebruikt. We hebben piano gespeeld met slechts drie toetsen. Floquet-engineering en de ontdekking van 3D-spinvloeistoffen zijn alsof iemand eindelijk de klep opent en ons de andere 85 toetsen laat zien. Het is rommelig, het is ingewikkeld en het doorbreekt de meeste regels waarvan we dachten dat ze in steen gebeiteld stonden. Maar zoals Louis Buchalter opmerkte na zijn tijd in het lab, is onderzoek zelden een rechtlijnig proces. Het draait om doorzettingsvermogen en de bereidheid om naar een magnetisch veld te kijken en je af te vragen wat er gebeurt als je de schakelaar sneller omzet dan iemand voor mogelijk hield.

Het volgende decennium in de natuurkunde zal niet in het teken staan van het ontdekken van nieuwe elementen aan het einde van het periodiek systeem. Het zal gaan over de vreemde, flikkerende, gefrustreerde en wrijvingsloze toestanden die we in de ruimtes daartussen kunnen creëren. We zijn niet langer slechts waarnemers van de fysieke wereld. We zijn de redacteurs ervan, die de code van materie in realtime herschrijven, één magnetische puls per keer. De natuurwetten zijn niet veranderd, maar ons vermogen om ze te omzeilen zeker wel. En in die kloof tussen wat is en wat kan zijn, wordt de volgende technologische revolutie op dit moment tot leven getrild.