Aineen uudet muodot, jollaisia ei pitäisi olla olemassa

Kvanttiteknologian odotetaan laajalti mullistavan suurten ja monimutkaisten datajoukkojen käsittelyn. Vaikka sitä käytetään tällä hetkellä enimmäkseen laboratorioissa ja tutkimusympäristöissä, ala on tasaisesti siirtymässä kohti reaalimaailman sovelluksia useilla eri toimialoilla.

Äskettäisessä kvanttifysiikan perusteita selvittäneessä tutkimuksessa tutkijat tarkastelivat aineen käyttäytymistä erittäin pienissä mittakaavoissa, kuten atomit, elektronit ja fotonit. Cal Polyn fysiikan laitoksen lehtorin Ian Powellin johtama tutkimus keskittyi siihen, miten magneettikentän vaihtelu ajan kuluessa voi saada aineen osoittamaan epätavallisia ja aiemmin näkemättömiä ominaisuuksia.

Powell ja opiskelijatutkija Louis Buchalte, julkaisivat havaintonsa Physical Review B -lehdessä artikkelissa nimeltä "Flux-Switching Floquet Engineering".

Heidän tutkimuksensa osoittaa, että kun magneettikenttiä muutetaan hallitusti, ajasta riippuvalla tavalla, ne voivat tuottaa kvanttitiloja, joita ei esiinny ajan kuluessa muuttumattomina pysyvissä materiaaleissa.

"Suuressa mittakaavassa kuvailisin tätä edistysaskeleena ymmärtää sitä, miten ajasta riippuva kontrolli voi luoda ja järjestää uusia kvanttiaineen muotoja", Powell sanoi. "Keskeinen ajatus on, että hyödylliset kvanttiominaisuudet voivat riippua paitsi materiaalista, myös siitä, miten sitä ohjataan ajassa. Meidän tapauksessamme osoitamme, että magneettikentän säännöllinen muuttaminen voi tuottaa ohjattuja kvanttifaaseja ilman staattista vastinetta."

Ajoittamalla magneettikenttien käyttöä huolellisesti tiedemiehet voivat suunnitella kvanttijärjestelmiä, joiden ominaisuudet ovat vakaampia ja vähemmän alttiita kohinalle tai epätäydellisyyksille.

Powell huomautti, että vaikka teknisiä yksityiskohtia voi olla vaikea selittää alan ulkopuolella, laajempi käsite on selvä. Tulokset viittaavat uusiin tapoihin luoda ja tutkia näitä epätavallisia kvanttitiloja kontrolloiduissa ympäristöissä, aivan kuten ultrakylmien atomien kokeissa.

"Tutkimuksemme suorin teollinen merkitys liittyy tässä vaiheessa kvanttilaskentaan ja kvanttisimulaatioon pikemminkin kuin tiettyyn loppukäyttäjäsektoriin", Powell jatkoi.

Uusien kvanttitilojen luomisen lisäksi tutkimuksessa tunnistettiin myös matemaattinen organisointiperiaate, joka heijastaa korkeamman ulottuvuuden kvanttijärjestelmissä tyypillisiä kaavoja. Tämä viittaa siihen, että suhteellisen yksinkertaiset, muuttuvien olosuhteiden ohjaamat järjestelmät voisivat tarjota uusia tapoja tutkia monimutkaisempaa kvanttifysiikkaa.

Tiimi kartoitti myös, miten nämä eksoottiset tilat muodostuvat, paljastaen tarkan rakenteen järjestelmän topologisessa faasidiagrammissa. Tämä kaavio toimii visuaalisena oppaana erilaisiin stabiileihin kvanttifaaseihin, joilla kullakin on kiinteät topologiset ominaisuudet.

Aiheesta aiemmin:

Odottamattomia värähtelytiloja magneettipyörteissä

Kvanttifaaseja kehitellen