Físicos estão criando matéria impossível através de oscilações

A tensão aqui reside na fragilidade da nossa tecnologia atual. Estamos tentando construir computadores quânticos usando materiais que são notoriamente temperamentais. Se uma molécula de calor perdida sequer roçar em um bit quântico, ou qubit, todo o sistema entra em colapso. Ao criar esses estados exóticos e dependentes do tempo, Powell e seu estudante pesquisador Louis Buchalter encontraram uma maneira de tornar os sistemas quânticos significativamente mais estáveis. Acontece que, se você mantiver a matéria em um estado de mudança constante e rítmica, torna-se mais difícil para o ruído externo quebrá-la.

O efeito de luz estroboscópica para o mundo quântico

Para entender o que Powell e Buchalter alcançaram, é preciso parar de pensar na matéria como algo sólido e imóvel. No nível quântico, tudo é uma vibração. Normalmente, essas vibrações se estabelecem em um ritmo previsível. A engenharia de Floquet é, essencialmente, o processo de atingir um material com uma "luz estroboscópica" de energia — neste caso, um campo magnético variável — para forçar essas vibrações a entrarem em um padrão novo e exótico. É como pegar uma pilha de areia e vibrar o chão de forma tão específica que os grãos de areia não fiquem apenas parados ali, mas flutuem no formato de uma catedral.

A equipe da Cal Poly usou um processo que chamaram de "Engenharia de Floquet com Comutação de Fluxo". Soa como algo tirado de um reboot de ficção científica de meados dos anos noventa, mas a mecânica baseia-se em um princípio organizador matemático que espelha sistemas de dimensões superiores. Ao conduzir o sistema com deslocamentos magnéticos temporizados, eles desbloquearam fases quânticas que são "topologicamente protegidas". Em termos simples, isso significa que o estado da matéria é travado por sua própria geometria. Você não consegue quebrá-lo facilmente porque a própria forma de sua existência impede que ele se desfaça.

Isso é extremamente importante para o futuro da computação. Um dos maiores obstáculos para um computador quântico funcional é o "ruído" — a interferência ambiental que causa erros. Se pudermos construir qubits a partir desses estados exóticos e induzidos, não estaremos apenas tornando-os mais rápidos; estamos tornando-os robustos. Estamos deixando de construir computadores de vidro para construí-los de aço reforçado. Mas a compensação é a energia. Você precisa manter o sistema "induzido" para que a matéria continue existindo. No momento em que você para a oscilação, o truque de mágica acaba e a matéria desaparece, retornando ao seu eu estático e monótono.

Por que este cristal tem fótons fantasmas dentro dele?

Um líquido de spin quântico é um termo um tanto inadequado. Ele não é úmido. Em vez disso, o "líquido" refere-se aos momentos magnéticos — os spins — dos átomos dentro do cristal. Em um ímã normal, como aquele na sua geladeira, esses spins apontam todos na mesma direção ou seguem um padrão ordenado. Em um líquido de spin quântico, os spins estão em um estado de desordem total e frenética, mesmo no zero absoluto. Eles estão "frustrados", o que significa que nunca conseguem encontrar um lugar confortável para se estabelecer. Como estão constantemente se movendo e entrelaçados, eles criam partículas "fantasma" — excitações que se comportam exatamente como a luz, mas que só existem dentro dos limites do material.

Podemos realmente usar matéria que se recusa a seguir as regras?

O fio condutor entre a matéria oscilante na Cal Poly e os fótons fantasmas na Rice é uma rejeição total da física clássica. Estamos entrando em uma era em que não perguntamos mais o que um material *é*, mas o que ele pode *fazer* quando levado ao limite. Isso se estende também ao grafeno. Pesquisadores observaram recentemente elétrons no grafeno fluindo como um líquido quase sem atrito, desafiando uma lei fundamental da física que diz que os elétrons deveriam zunir por aí como bolas de pinball individuais. Em vez disso, eles estão se movendo como mel — se o mel pudesse fluir por um cano à velocidade da luz sem nunca ficar preso.

Depois, há os quasicristais. Por 40 anos, lutamos para entender esses materiais que parecem ter um padrão, mas nunca se repetem de fato. Eles são os mosaicos do mundo quântico — belos, complexos e aparentemente impossíveis. Cientistas da Universidade de Michigan finalmente decifraram o código de como eles crescem, revelando que eles cruzam a linha entre a ordem e o caos. Assim como os estados de Floquet, os quasicristais representam um meio-termo que não deveria existir, fornecendo uma ponte entre o mundo previsível de um cristal de sal e a aleatoriedade total de um gás.

As implicações industriais são impressionantes, mas precisamos ser realistas. Não teremos smartphones movidos a Floquet no próximo ano. Ian Powell é o primeiro a admitir que a relevância mais direta é para a simulação e pesquisa quântica. O caminho de um laboratório na Cal Poly até uma fábrica em Shenzhen é longo e pavimentado com experimentos fracassados. Mas a parede conceitual foi derrubada. Agora sabemos que, se não conseguirmos encontrar o material de que precisamos para uma tecnologia específica, podemos simplesmente vibrá-lo até a existência usando campos magnéticos.

O futuro da tecnologia é apenas uma vibração bem cronometrada?

Se você está sentado no ônibus lendo isso, provavelmente está segurando um dispositivo feito de silício, cobre e plástico — materiais que entendemos há mais de um século. O próximo salto não será uma versão melhor desses materiais. Será algo que parece feitiçaria. Estamos olhando para um mundo onde nosso hardware é "induzido" por campos dependentes do tempo, onde nossa energia se move através de cristais via partículas fantasma e onde nossos computadores são construídos a partir de estados da matéria que tecnicamente não existem quando a energia está desligada.

Há uma certa ironia no fato de que, quanto mais aprendemos sobre os blocos de construção fundamentais do universo, mais percebemos o pouco que temos utilizado. Estivemos tocando piano usando apenas três teclas. A engenharia de Floquet e a descoberta de líquidos de spin 3D são como se alguém finalmente abrisse a tampa e nos mostrasse as outras 85. É confuso, é complicado e quebra a maioria das regras que pensávamos estarem gravadas em pedra. Mas, como Louis Buchalter observou após seu tempo no laboratório, a pesquisa raramente é um processo direto. É sobre persistência e a disposição de olhar para um campo magnético e se perguntar o que acontece se você acionar o interruptor mais rápido do que qualquer um achava que você deveria.

A próxima década da física não será sobre descobrir novos elementos no final da tabela periódica. Será sobre os estados estranhos, oscilantes, frustrados e sem atrito que podemos criar nos vãos entre eles. Já não somos apenas observadores do mundo físico. Somos seus editores, reescrevendo o código da matéria em tempo real, um pulso magnético de cada vez. As regras da física não mudaram, mas a nossa capacidade de contorná-las certamente mudou. E nesse espaço entre o que é e o que poderia ser, a próxima revolução tecnológica está sendo vibrada à vida.