Физики создали экзотические формы вещества, манипулируя магнитными полями

В недавнем исследовании, посвящённом изучению основ квантовой физики, учёные исследовали поведение материи на чрезвычайно малых масштабах — уровне атомов, электронов и фотонов. Работа, возглавляемая преподавателем физического факультета Калифорнийского политехнического университета (Cal Poly) Ианом Пауэллом, была сосредоточена на том, как изменение магнитного поля во времени может приводить к возникновению у материи необычных и ранее не наблюдавшихся свойств.

Пауэлл и студент-исследователь Луис Бухальтер (получивший степень бакалавра физики в Cal Poly в 2025 году) опубликовали свои результаты в журнале Physical Review B в статье под названием «Flux-Switching Floquet Engineering» («Инженерия Флоке с переключением потока»). Их исследования показывают, что при контролируемом изменении магнитных полей во времени можно генерировать квантовые состояния, которые не существуют в материалах, остающихся неизменными (то есть статическими) с течением времени.

«В общем и целом я бы охарактеризовал это как прорыв в понимании того, как управление во времени способно создавать и формировать новые виды квантовой материи, — сказал Пауэлл. — Основная идея заключается в том, что полезные квантовые свойства могут зависеть не только от того, из какого материала сделана платформа, но и от того, как ею управляют во времени. В нашем случае мы показываем, что периодическое изменение магнитного поля может приводить к появлению управляемых квантовых фаз, не имеющих статических аналогов».

Тщательно рассчитывая временную последовательность приложения магнитных полей, учёные могут проектировать квантовые системы со свойствами, которые оказываются более стабильными и менее уязвимыми для «шума» или несовершенств. Эти помехи представляют собой серьёзную проблему в квантовой технологии, часто приводя к ошибкам в вычислениях или в работе системы.

Пауэлл отметил, что, хотя технические детали может быть сложно объяснить неспециалистам, общая концепция остаётся понятной. Полученные результаты открывают новые способы создания и изучения этих необычных квантовых состояний в контролируемых условиях — в частности, в экспериментах с ультрахолодными атомами.

«На данном этапе наше исследование имеет наиболее непосредственное практическое значение для квантовых вычислений и квантового моделирования, а не для какой-либо конкретной отрасли конечного потребления, — сказал Пауэлл. — Любое возможное влияние на такие сферы, как фармацевтика, финансы, производство или аэрокосмическая отрасль, скорее всего, будет косвенным и будет заключаться в содействии долгосрочному развитию более совершенных квантовых технологий. Для перехода к промышленному применению следующими шагами станут экспериментальная проверка и дальнейшая работа по внедрению этих идей в реальные платформы квантовых устройств».

Помимо создания новых квантовых состояний, в ходе исследования был выявлен математический принцип организации, отражающий закономерности, типичные для квантовых систем более высоких измерений. Это даёт возможность предположить, что относительно простые системы, управляемые изменяющимися условиями, могут открыть новые пути для изучения более сложной квантовой физики.