Fysiker skapar omöjlig materia genom kvantflimmer

Spänningen här ligger i vår nuvarande tekniks bräcklighet. Vi försöker för närvarande bygga kvantdatorer med hjälp av material som är ökända för att vara nyckfulla. Om en förlupen värmemolekyl så mycket som snuddar vid en kvantbit, eller qubit, kollapsar hela systemet. Genom att skapa dessa exotiska, tidsberoende tillstånd har Powell och hans student Louis Buchalter hittat ett sätt att göra kvantsystem betydligt stabilare. Det visar sig att om man håller materia i ett tillstånd av konstant, rytmisk förändring, blir det svårare för exterilt brus att bryta ner den.

Stroboskopeffekten för kvantvärlden

För att förstå vad Powell och Buchalter åstadkommit måste man sluta se materia som ett fast, orörligt ting. På kvantnivå är allt en vibration. Vanligtvis lägger sig dessa vibrationer i ett förutsägbart spår. Floquet-teknik är i huvudsak processen att träffa ett material med ett "stroboskop" av energi – i det här fallet ett föränderligt magnetfält – för att tvinga in vibrationerna i ett nytt, exotiskt mönster. Det är som att ta en hög med sand och vibrera golvet så specifikt att sandkornen inte bara ligger där, utan svävar i formen av en katedral.

Teamet på Cal Poly använde en process som de kallar "Flux-Switching Floquet Engineering". Det låter som något hämtat från en science fiction-reboot från mitten av nittiotalet, men mekaniken är grundad i en matematisk organiseringsprincip som speglar högre dimensionella system. Genom att driva systemet med tajmade magnetiska skiften låste de upp kvantfaser som är "topologiskt skyddade". På vanlig svenska betyder detta att materiens tillstånd är låst av sin egen geometri. Du kan inte enkelt bryta ner det eftersom själva formen av dess existens förhindrar att det löses upp.

Detta är en enorm händelse för framtidens datoranvändning. Ett av de största hindren för en fungerande kvantdator är "brus" – den miljömässiga störning som orsakar fel. Om vi kan bygga kvantbitar av dessa drivna, exotiska tillstånd gör vi dem inte bara snabbare; vi gör dem robusta. Vi går från att bygga datorer av glas till att bygga dem av armerat stål. Men baksidan är energiförbrukningen. Du måste hålla systemet "drivet" för att materian ska fortsätta existera. I det ögonblick du slutar flimra tar trollkonsten slut, och materian försvinner tillbaka till sitt tråkiga, statiska jag.

Varför har den här kristallen spökfotoner inuti sig?

En kvantspinnvätska är en smula missvisande. Den är inte våt. Istället syftar "vätska" på de magnetiska momenten – spinnen – hos atomerna inuti kristallen. I en vanlig magnet, som den på ditt kylskåp, pekar alla dessa spinn i samma riktning eller följer ett prydligt mönster. I en kvantspinnvätska är spinnen i ett tillstånd av total, febrig oordning även vid absoluta nollpunkten. De är "frustrerade", vilket innebär att de aldrig kan hitta en bekväm plats att komma till ro på. Eftersom de ständigt rör sig och är sammanflätade skapar de "spökpartiklar" – excitationer som beter sig precis som ljus, men som bara existerar inom materialets gränser.

Kan vi faktiskt använda materia som vägrar följa reglerna?

Den gemensamma nämnaren mellan den flimrande materian vid Cal Poly och spökfotonerna vid Rice är ett totalt förkastande av klassisk fysik. Vi går in i en era där vi inte längre frågar vad ett material *är*, utan vad det kan *göra* när det pressas till sin gräns. Detta sträcker sig även till grafen. Forskare observerade nyligen elektroner i grafen flyta som en nästan friktionsfri vätska, vilket trotsar en fundamental fysikalisk lag som säger att elektroner ska ila omkring som individuella flipperkulor. Istället rör de sig som honung – om honung kunde flyta genom ett rör med ljusets hastighet utan att någonsin fastna.

Sedan finns kvasikristallerna. I 40 år har vi kämpat med att förstå dessa material som ser ut att ha ett mönster men aldrig upprepar sig själva. De är kvantvärldens mosaiker – vackra, komplexa och till synes omöjliga. Forskare vid University of Michigan knäckte till slut koden för hur dessa växer, vilket avslöjade att de balanserar på gränsen mellan ordning och kaos. Liksom Floquet-tillstånden representerar kvasikristaller en medelväg som inte borde finnas, vilket ger en bro mellan den förutsägbara världen av en saltkristall och total slumpmässighet hos en gas.

De industriella konsekvenserna är häpnadsväckande, men vi måste vara realistiska. Vi kommer inte att ha Floquet-drivna smartphones nästa år. Ian Powell är den förste att medge att den mest direkta relevansen finns inom kvantsimulering och forskning. Vägen från ett labb på Cal Poly till en fabrik i Shenzhen är lång och kantad av misslyckade experiment. Men den konceptuella väggen har rivits ner. Vi vet nu att om vi inte kan hitta det material vi behöver för en specifik teknik, kanske vi helt enkelt kan vibrera fram det med hjälp av magnetfält.

Är teknikens framtid bara en välavvägd vibration?

Om du sitter på bussen och läser detta, håller du troligen i en enhet gjord av kisel, koppar och plast – material vi förstått i över ett sekel. Nästa språng kommer inte att vara en bättre version av dessa material. Det kommer att vara något som känns som trolleri. Vi ser en värld där vår hårdvara "drivs" av tidsberoende fält, där vår energi rör sig genom kristaller via spökpartiklar, och där våra datorer är byggda av materietillstånd som tekniskt sett inte existerar när strömmen är avslagen.

Det finns en viss ironi i att ju mer vi lär oss om universums fundamentala byggstenar, desto mer inser vi hur lite vi har använt. Vi har spelat piano med bara tre tangenter. Floquet-teknik och upptäckten av 3D-spinnvätskor är som att någon äntligen öppnar locket och visar oss de övriga 85. Det är rörigt, det är komplicerat, och det bryter mot de flesta regler vi trodde var huggna i sten. Men som Louis Buchalter noterade efter sin tid i labbet, är forskning sällan en rak process. Det handlar om uthållighet och viljan att titta på ett magnetfält och undra vad som händer om man slår på strömbrytaren snabbare än någon trodde man borde.

Det kommande årtiondet inom fysiken kommer inte att handla om att upptäcka nya grundämnen i slutet av det periodiska systemet. Det kommer att handla om de märkliga, flimrande, frustrerade och friktionsfria tillstånd vi kan skapa i mellanrummen. Vi är inte längre bara observatörer av den fysiska världen. Vi är dess redaktörer, som skriver om materiens kod i realtid, en magnetisk puls i taget. Fysikens lagar har inte förändrats, men vår förmåga att kringgå dem har det definitivt. Och i det gapet mellan vad som är och vad som skulle kunna vara, vibreras just nu den nästa tekniska revolutionen till liv.