Materian har kastat ut regelboken

Detta handlar inte bara om teoretiskt navelskåderi i laboratoriet. I decennier har det största hindret i kapplöpningen om en fungerande kvantdator varit "brus". Kvantbitar, eller qubits, är notoriskt känsliga. Om enstaka vibrationer eller en minimal värmetopp når dem, förlorar de sin data och hela systemet kraschar. Powells upptäckt av dessa "Floquet"-tillstånd tyder på att vi kan skapa material som i praktiken är immuna mot detta kaos. Genom att hålla materialet i ett konstant tillstånd av rytmisk förändring skapar fysiker en typ av stabilitet som statisk materia helt enkelt inte kan erbjuda.

Den magnetiska stroboskopeffekten

För att förstå vad Powell och hans kollega Louis Buchalter åstadkommit måste man sluta se materia som en fast, oföränderlig klump. Normalt sett är en kristall som ett stillfoto. Atomerna sitter på sina platser, elektronerna surrar runt, och det hela förblir stilla. Men Powells team använde en teknik som kallas Floquet-teknik. Tänk på det som ett stroboskop på ett mörkt dansgolv. När ljuset är släckt kan du inte se dansarna. När det blinkar i en specifik frekvens ser det ut som om dansarna rör sig i slow motion eller till och med står stilla i luften.

Det fina med detta tillvägagångssätt är kontrollen. Inom traditionell materialvetenskap måste du hitta en ny sorts sten om du vill ha andra egenskaper. Vill du ha något mer ledande? Hitta lite koppar. Vill du ha något magnetiskt? Hitta lite järn. Med Floquet-teknik ändrar du inte stenen; du ändrar takten. Genom att justera magnetfältets frekvens kan forskare ställa in specifika kvantegenskaper i farten. Det förvandlar materialet till en programmerbar duk.

Att utvinna spöket av en foton

Inuti en specifik kristall, ceriumzirkoniumoxid, observerade Dais team något som låter som science fiction: emergenta fotoner. Normalt sett är fotoner ljuspartiklar som färdas genom rymdens vakuum. Men här dök de upp ur en fast kristall. Det är inte fotoner som kommer från solen; det är "spöklika" versioner som uppstår ur det kollektiva dansandet hos atomerna inuti materialet.

Denna upptäckt bekräftar att vi kan skapa miljöer inuti fasta material som efterliknar hela universums fundamentala lagar. Det är som att ha en miniatyrversion av kosmos fångad inuti en ädelsten. För kvantdatorer är detta en guldgruva. Dessa emergenta partiklar är "fraktionerade", vilket innebär att de är delar av en elektron som i praktiken har brutits isär. Eftersom de är utspridda över hela materialet är de otroligt svåra att störa. Man kan inte ha sönder något som redan medvetet har brutits isär och spridits ut över tusentals atomer.

När elektroner säger upp sig

Konstigheterna stannar inte vid magnetiska pulser eller spökfotoner. I laboratorier världen över börjar elektroner bete sig på sätt som trotsar varenda lärobok. I ett sekel har vi behandlat elektroner som små biljardbollar som svischar genom ledningar. Men ny forskning om exotisk materia visar att elektroner under rätt förhållanden helt slutar agera som partiklar.

I vissa kvantmaterial börjar elektroner flöda som en friktionsfri vätska. I andra förlorar de sin individuella identitet och agerar som en enda, kollektiv våg. Detta är en mardröm för klassisk fysik men en dröm för ingenjörer. Om en elektron inte agerar som en partikel studsar den inte mot saker. Om den inte studsar skapar den ingen värme. Om den inte skapar värme kan man bygga en dator som inte behöver kylfläktar och som aldrig saktar ner.

Haken är, som alltid, miljön. De flesta av dessa tillstånd kräver temperaturer kallare än den interstellära rymden eller magnetfält tillräckligt starka för att lyfta en bil. Det är därför Powells Floquet-teknik är så avgörande. Genom att använda tidsberoende fält för att "driva" materian kan vi kanske lura dessa material att stanna i sina exotiska tillstånd vid högre temperaturer och under mindre extrema förhållanden. Det är skillnaden mellan att behöva ett superkylskåp med flytande kväve och att ha en enhet som fungerar på skrivbordet.

Guldstandarden för kosmisk våldsamhet

Du kanske undrar varför vi är så besatta av dessa sköra, flimrande materietillstånd i ett laboratorium. Svaret finns i smyckena på ditt finger eller guldet i din smartphone. I decennier hade vi ett "kärnfysiskt mysterium" rörande varifrån tunga grundämnen som guld egentligen kommer. Vi visste att de inte skapades i hjärtat av stjärnor som syre eller kol; fysiken där är inte våldsam nog.

Det visar sig att guld är resultatet av det ultimata experimentet med exotisk materia: kollisioner mellan neutronstjärnor. En neutronstjärna är i huvudsak en gigantisk atomkärna i storlek med en stad. Det är den mest extrema formen av materia i det observerbara universumet. När två av dem kolliderar skapas så bisarra förhållanden att det periodiska systemets regler kastas ut genom fönstret. I det kaoset pressas neutroner in i atomer i en sådan takt att tunga grundämnen smids på några sekunder.

Slutet för den statiska världen

Det skifte vi ser är en övergång från en "statisk" syn på universum till en "dynamisk". Under större delen av mänsklighetens historia såg vi på en sten och såg en sten. Nu tittar vi på ett material och ser en uppsättning möjligheter som kan låsas upp med rätt rytm. Ian Powells arbete med Floquet-teknik har visat att materians "begränsningar" mest beror på brist på fantasi. Om ett material inte har den egenskap du behöver kan du vibrera det tills det får den.

Louis Buchalter, studentforskaren som arbetade med studien vid Cal Poly, noterade att forskning sällan är en spikrak linje. Det krävdes uthållighet för att kartlägga det "topologiska fardiagrammet" – i princip en karta över var dessa omöjliga materietillstånd existerar. Denna karta är nu en vägledning för nästa generations ingenjörer. De kommer inte att leta efter nya grundämnen; de kommer att leta efter nya sätt att pulsera energi genom de vi redan har.

Vi går in i en era där tekniken kommer att vara lika flytande som mjukvaran. Föreställ dig en processor som ändrar sina fysiska egenskaper baserat på den uppgift den utför. Behöver du räkna? Materialet skiftar till ett stabilt Floquet-tillstånd. Behöver du överföra data? Det flimrar till i en kvantspinnvätska med emergent ljus. Själva materian blir maskinen. Det låter som magi, men som laboratorieresultaten visar är det bara fysik med bättre takt.

Jakten på dessa exotiska tillstånd handlar inte om att bevisa en teori. Det handlar om överlevnad i dataåldern. När vår efterfrågan på beräkningskraft når de fysiska gränserna för kisel och koppar har vi inget annat val än att börja bryta mot reglerna. Vi frammanar materia som inte borde existera, eftersom den materia som faktiskt existerar inte längre kan hålla jämna steg med oss. Spökena i maskinen har äntligen satts i arbete.