Con variazioni temporizzate del campo magnetico si possono creare forme di materia completamente nuove

In un recente studio che esplora i fondamenti della fisica quantistica, i ricercatori hanno esaminato il comportamento della materia su scale estremamente ridotte, tra cui atomi, elettroni e fotoni. Il lavoro, guidato da Ian Powell, docente del Dipartimento di Fisica della Cal Poly, si è concentrato su come la variazione di un campo magnetico nel tempo possa far sì che la materia mostri proprietà insolite e mai osservate prima.

Powell e il ricercatore Louis Buchalter, che ha conseguito una laurea in fisica alla Cal Poly nel 2025, hanno pubblicato i loro risultati su Physical Review B in un articolo intitolato “Flux-Switching Floquet Engineering”. La loro ricerca dimostra che, quando i campi magnetici vengono modificati in modo controllato e dipendente dal tempo, è possibile generare stati quantistici che non esistono nei materiali che rimangono invariati nel tempo (mantenendo lo stesso stato con il passare del tempo).

“In termini generali, descriverei questo come un progresso nella nostra comprensione di come il controllo dipendente dal tempo possa creare e organizzare nuove forme di materia quantistica”, ha affermato Powell. “L’idea centrale è che le proprietà quantistiche utili possono dipendere non solo da cosa sia un materiale, ma anche da come viene manipolato nel tempo. Nel nostro caso, dimostriamo che la variazione periodica di un campo magnetico può produrre fasi quantistiche indotte che non hanno un corrispettivo statico.”

Verso tecnologie quantistiche più stabili

Grazie a una precisa temporizzazione nell’applicazione dei campi magnetici, gli scienziati possono progettare sistemi quantistici con proprietà più stabili e meno vulnerabili al “rumore” o alle imperfezioni. Queste perturbazioni rappresentano una sfida importante nella tecnologia quantistica, spesso causando errori nei calcoli o compromettendo le prestazioni del sistema.

Powell ha osservato che, sebbene i dettagli tecnici possano essere difficili da spiegare al di fuori del settore, il concetto generale è chiaro. I risultati suggeriscono nuovi modi per creare e studiare questi insoliti stati quantistici in ambienti controllati, come ad esempio negli esperimenti con atomi ultrafreddi.

“L’impatto più diretto del nostro studio sul settore industriale riguarda il calcolo quantistico e la simulazione quantistica, piuttosto che uno specifico settore di utilizzo finale in questa fase”, ha affermato Powell. “Qualsiasi eventuale impatto su settori come quello farmaceutico, finanziario, manifatturiero o aerospaziale sarebbe probabilmente indiretto, contribuendo allo sviluppo a lungo termine di tecnologie quantistiche migliori. Per passare all’utilizzo industriale, i prossimi passi consisteranno nella validazione sperimentale e in ulteriori ricerche che colleghino queste idee a piattaforme di dispositivi quantistici realistiche.”

Nuovi modelli matematici nei sistemi quantistici

Oltre a creare nuovi stati quantistici, la ricerca ha anche identificato un principio organizzativo matematico che rispecchia schemi tipicamente riscontrati nei sistemi quantistici a dimensioni superiori. Ciò suggerisce che sistemi relativamente semplici, guidati da condizioni variabili, potrebbero fornire nuovi modi per esplorare la fisica quantistica più complessa.

Il team ha inoltre mappato il modo in cui si formano questi stati esotici, rivelando una struttura precisa nel diagramma di fase topologico del sistema. Questo diagramma funge da guida visiva alle diverse fasi quantistiche stabili, ciascuna definita da proprietà topologiche fisse.

Perché il controllo quantistico è importante per l’informatica

La meccanica quantistica permette ai sistemi di calcolo di elaborare le informazioni in modi che superano di gran lunga le capacità dei computer classici. Questi sistemi possono eseguire simulazioni su larga scala, analizzare enormi insiemi di dati e risolvere problemi complessi in modo più efficiente.

I campi magnetici svolgono un ruolo centrale in questo processo. Sono comunemente utilizzati per controllare e misurare i bit quantistici (o qubit), le unità fondamentali dell’informazione quantistica. I qubit sono paragonabili alle unità 0 e 1 dell’informatica classica (applicata attualmente nell’informatica comune) utilizzate per rappresentare gli stati elettrici fisici.

Esperienza di ricerca studentesca e progetti futuri

Per Buchalter, la partecipazione allo studio ha fornito preziose informazioni sul processo di ricerca e sulla comunicazione scientifica.

“Molto riguarda il processo di conduzione della ricerca e come i nuovi risultati vengono comunicati efficacemente alla più ampia comunità scientifica.”

“Ho imparato che la ricerca raramente è un processo lineare, spesso richiede perseveranza e capacità di risolvere i problemi in modo creativo nel corso di un progetto di ricerca”, ha affermato Buchalter. “Credo che i nostri risultati contribuiscano a dimostrare la potenza dell’ingegneria di Floquet per la realizzazione di sistemi quantistici con proprietà altamente regolabili, aprendo la strada a ulteriori ricerche sulla materia quantistica a pilotaggio periodico e allo sviluppo delle sue applicazioni.”

Buchalter prevede di iniziare un master in scienza e ingegneria dei materiali presso l’Università di Washington in autunno, dove si concentrerà su studi sperimentali sulla materia quantistica. Sta anche valutando una futura carriera presso un laboratorio nazionale che si occupi dello sviluppo di dispositivi quantistici.

“Inizialmente ho intrapreso questo progetto per il mio interesse nella fisica della materia condensata, ma poi, grazie alla mia esperienza, sono rimasto affascinato dal campo dei materiali quantistici”, ha affermato Buchalter. “Sono molto interessato a continuare a studiare la materia quantistica e a contribuire al suo sviluppo di applicazioni nei dispositivi elettronici e fotonici.”