Calculatoarele cuantice există deja, dar sunt greoaie, foarte specializate și departe de ce speră fizicienii să obțină de la ele. O bună parte din blocaj vine dintr-o întrebare aparent teoretică: de ce un material cuantic poate găzdui simultan mai multe stări electronice și cum apar acestea. Un studiu publicat în revista Nature Physics oferă acum o cale de a privi procesul în timp real.
Echipa internațională de cercetători, condusă de fizicieni de la MIT, s-a concentrat pe undele de densitate de sarcină, un fenomen în care electronii dintr-un cristal se aranjează într-un tipar regulat în loc să fie distribuiți uniform. Ideea este veche în fizica solidului și pornește de la instabilitatea descrisă de Rudolf Peierls încă din anii 1930, însă felul în care două astfel de tipare pot coexista în același material a rămas subiect de dispută.
Motivul pentru care merită studiate este pragmatic. Exact ca superconductibilitatea, undele de densitate de sarcină sunt un fenomen colectiv, în care electronii se mișcă împreună în anumite feluri, explică fizicianul Yifan Su de la MIT. Diferența este că acest fenomen reprezintă o formă de materie mult mai simplă decât superconductibilitatea, motiv pentru care cercetătorul îl descrie ca pe un teren de joacă pentru înțelegerea fundamentală.
Un material cuantic cu două tipare suprapuse
Alegerea a căzut pe tritelurura de erbiu, un compus din familia tritelururilor de pământuri rare, cunoscut pentru capacitatea de a susține două ordini de acest tip în același timp. Prima apare sub aproximativ minus 8 grade Celsius, adică în jurul valorii de 265 de kelvini, și este cea dominantă. A doua se instalează abia sub aproximativ minus 113 grade Celsius, în jur de 160 de kelvini, și se propagă perpendicular pe prima prin cristal, formând un tipar de tablă de șah.
Problema este că, în condiții de echilibru, cele două se suprapun și sunt greu de separat prin metodele obișnuite. Mecanismul responsabil pentru apariția acestei a doua faze a fost mult timp disputat, iar abordarea noastră oferă o cale nouă și puternică de a scoate la iveală fizica ascunsă din spatele tranzițiilor de fază în materialele cuantice, spune fizicianul Nuh Gedik, de la MIT.
Două impulsuri laser, una după alta
Soluția a fost să scoată materialul din echilibru și să îl privească în timp ce se reface. Metoda, cunoscută în laborator drept pompă și sondă, folosește două impulsuri laser scurte și intense. Primul lovește cristalul și destramă tiparul de tablă de șah al electronilor, obligându-l să se reconstruiască. Al doilea, trimis la un interval controlat, măsoară structura electronică în timpul refacerii, ca un blitz care surprinde o etapă din proces.
Rezultatul a fost diferit pentru cele două faze. Cea dominantă a revenit exact cum se aștepta echipa, treptat și uniform pe tot volumul. A doua s-a comportat însă neașteptat: a reapărut în buzunare izolate, care apoi s-au extins în material, la fel cum cristalele de gheață apar în puncte separate într-o apă care îngheață și se unesc pe măsură ce cresc.
Concluzia este că cele două ordini nu se nasc din același mecanism, deși ocupă același cristal. Diferența dintre o tranziție uniformă și una care pornește din nuclee separate este, în fizica materiei condensate, o distincție de fond, nu un detaliu de nuanță.
De ce contează dincolo de laborator
Miza reală este înțelegerea materialelor mult mai complicate. Una dintre cele mai mari întrebări din fizică este de ce unele materiale găzduiesc mai multe faze, în timp ce altele nu, spune Gedik, care adaugă că, atunci când mai multe faze coexistă, rămâne de lămurit dacă acestea se întăresc reciproc, concurează sau se ignoră. În superconductorii de temperatură înaltă, magnetismul, superconductibilitatea și undele de densitate de sarcină apar împreună, iar una dintre teorii spune că tocmai interacțiunea dintre ele produce proprietățile lor neobișnuite.
Aici intervine și partea care privește electronica de consum, chiar dacă la o distanță de ani buni. Înlocuirea siliciului cu materiale superioare rămâne un obiectiv declarat al industriei, dar presupune capacitatea de a construi și controla aceste stări cu precizie. Se crede că piatra de temelie a înlocuirii siliciului stă în materialele cuantice cu mai multe faze coexistente, spune fizicianul Alfred Zong, care a coordonat studiul ca doctorand la MIT și lucrează acum la Universitatea Stanford. Experimentul, adaugă el, oferă o cale foarte curată de a studia aceste faze multiple.
Pasul următor, sugerat chiar de autori, este aplicarea aceleiași tehnici cu impulsuri laser pe materiale mai complexe, unde numărul de faze suprapuse este mai mare și unde miza tehnologică este pe măsură.
Dacă vă interesează subiectul, am scris și despre testul de internet cuantic pe 62 de kilometri de fibră optică aeriană și despre motorul termic cuantic construit cu un circuit superconductor.
Studiul complet a fost publicat în Nature Physics, iar o prezentare accesibilă a rezultatelor a apărut pe ScienceAlert.
