Tidsvarierande magnetfält kan skapa exotisk kvantmateria

Kvanttekniken har en lovande potential att revolutionera hur stora och komplexa informationsmängder bearbetas. Även om kvanttekniken redan används främst i laboratorier och forskningsmiljöer världen över, befinner den sig i en övergångsfas mot bredare industriella tillämpningar inom många olika ekonomiska sektorer.

Utforskning av ovanligt beteende i kvantmateria

I forskningen om grundläggande aspekter av kvantfysik, eller naturens beteende på de minsta skalorna – som involverar atomer, elektroner och fotoner – analyserade en studie ledd av Ian Powell, lektor vid fysikavdelningen vid Cal Poly, hur ett föränderligt magnetfält kan få materia att bete sig på ovanliga sätt.

Powell och studentforskaren Louis Buchalter, som tog en kandidatexamen i fysik vid Cal Poly 2025, publicerade artikeln ”Flux-Switching Floquet Engineering” i tidskriften Physical Review B, där de belyser hur föränderliga magnetfält över tid kan skapa kvanttillstånd som inte existerar i något stationärt material (som förblir i samma tillstånd när tiden går).

”I ett större perspektiv skulle jag beskriva detta som ett framsteg i vår förståelse av hur tidsberoende styrning kan skapa och organisera nya former av kvantmateria”, sade Powell. ”Den centrala idén är att användbara kvantegenskaper inte bara kan bero på vad ett material är, utan på hur det drivs över tid. I vårt fall visar vi att periodisk förändring av ett magnetfält kan producera drivna kvantfaser utan någon statisk motsvarighet.”

Genom att konstruera nya kvantbeteenden genom att tidsställa fältet kan fysiker potentiellt skapa tekniker som är mycket stabila och svåra att störa av ”brus” eller imperfektioner som kan interferera med kvantteknikens funktionalitet och undvika systemfel.

Powell medgav att det är svårt att beskriva de tekniska aspekterna av studien för icke-fysiker. Men konceptuellt pekar forskningen på möjliga vägar för att konstruera denna typ av exotiska drivna kvanttillstånd i kontrollerade plattformar, såsom experiment med ultrakalla atomer.

Potentiell inverkan på kvantteknik

”Den mest direkta relevansen för industrin i vår studie är kvantberäkning och kvantsimulering, snarare än en specifik slutanvändningssektor i detta skede”, sa Powell. ”Eventuella effekter på områden som läkemedel, finans, tillverkning eller rymdindustri skulle sannolikt vara indirekta, genom att bidra till den långsiktiga utvecklingen av bättre kvantteknik. För att gå mot industriell användning skulle nästa steg vara experimentell validering och ytterligare arbete med att koppla dessa idéer till realistiska plattformar för kvantapparater.”

Genom att tillämpa fysikaliska principer avslöjade arbetet också en matematisk organiseringsregel som återspeglar mönster som oftare förknippas med högre dimensionella kvantsystem, vilket tyder på att relativt enkla drivna system kan erbjuda ett nytt sätt att studera den typen av fysik.

Forskningen visar att de exotiska drivna faserna kan uppstå, men avslöjar också en exakt organiseringsregel för systemets topologiska fasdiagram, eller en visuell karta som avgränsar distinkta, stabila kvantfaser av materia baserat på oföränderliga topologiska tal.

Användningen av fysikaliska principer inom kvantmekaniken utnyttjar ett beräkningssystems förmåga att bearbeta information snabbare, köra omfattande simuleringar och analysera betydligt mer data än klassisk databehandling.

Magnetfält är ett av de viktigaste verktygen som används för att styra och avläsa kvantbitar (eller qubits), den grundläggande informationsenheten som används inom kvantteknik. Qubits kan jämföras med enheterna 0 och 1 i klassisk databehandling (som används i vanlig databehandling idag) som används för att representera fysiska elektriska tillstånd.

En students väg in i kvantforskningen

Som studentforskare som arbetar tillsammans med Powell sa Buchalter att medförfattandet av artikeln lärde honom ”mycket om processen att bedriva forskning och hur nya forskningsresultat effektivt kommuniceras till det bredare vetenskapssamhället.”

”Jag lärde mig att forskning sällan är en rak process, utan ofta kräver uthållighet och kreativ problemlösning under ett forskningsprojekts gång,” sa Buchalter. ” Jag tror att våra resultat bidrar till att visa kraften i Floquet-teknik för att realisera kvantsystem med högt justerbara egenskaper, vilket banar väg för vidare forskning om periodiskt driven kvantmateria och utvecklingen av dess tillämpningar.”

Buchalter planerar att läsa en masterutbildning i materialvetenskap och teknik vid University of Washington i höst, och att bedriva experimentell forskning om kvantmateria. Han överväger att satsa på en karriär vid ett nationellt laboratorium för utveckling av kvantkomponenter efter avslutad utbildning.

”Jag tog mig an projektet från början på grund av mitt intresse för kondenserad materiafysik. Men genom min erfarenhet blev jag fascinerad av området kvantmaterial”, säger Buchalter. ”Jag är mycket intresserad av att fortsätta studera kvantmateria och bidra till att utveckla dess tillämpningar i elektroniska och fotoniska enheter.”