Badacze z Nanjing University, Yale University i innych instytutów opisali w Physical Review Letters trójwymiarową topologiczną fazę materii działającą w temperaturach wyższych niż zero absolutne. To podważa fundamentalne założenia o ograniczeniach fizyki kwantowej. Dotąd uważano, że takie struktury mogą istnieć wyłącznie w ekstremalnym zimnie.
Fermionowy kod torowy. Stabilność w nieoczekiwanych warunkach
Nowo odkryta faza, nazwana fermionowym kodem torowym, wyróżnia się porządkiem topologicznym. Oznacza to dalekosiężne splątanie cząstek w całym systemie. Kluczową niespodzianką jest jej stabilność w temperaturach powyżej zera absolutnego – dotąd fluktuacje termiczne niszczyły podobne struktury. Sekret tkwi w anomalnej symetrii dwuformowej związanej z pętlami Wilsona dla wzbudzeń fermionicznych. Ta egzotyczna właściwość wymusza silne splątanie, zapewniające odporność na ciepło.
Czytaj także: Czwarty stan materii łamie fundamentalne prawa fizyki. Właśnie odkryto zjawisko zaprzeczające newtonowskiej fizyce
Model stanowi wariant znanego kodu torowego stosowanego w kwantowej korekcji błędów. Jednak dzięki emergentnym wzbudzeniom fermionicznym zachowuje się zupełnie inaczej niż jego poprzednicy. Co szczególnie zaskakujące, udało się to osiągnąć w trzech wymiarach. Przez lata sądzono, że kwantowe fazy materii w temperaturach niezerowych nie mogą istnieć w 3D – teoretyczne modele sugerowały ich niestabilność. Choć podobne zjawiska znano z czterech wymiarów, uznawano je za laboratoryjną ciekawostkę bez praktycznego znaczenia.
Perspektywy i realne wyzwania
Fermionowy kod torowy mógłby teoretycznie posłużyć do budowy praktycznych systemów kwantowych działających bez ekstremalnego chłodzenia. Współczesne komputery kwantowe są niezwykle wrażliwe na zakłócenia – błędy sprzętowe, utrata fotonów czy nawet promieniowanie kosmiczne potrafią zniszczyć delikatne stany kwantowe. Nowa faza materii może oferować naturalną odporność na takie zaburzenia. Choć brzmi to obiecująco, warto pamiętać, że na komercyjne zastosowania przyjdzie nam pewnie jeszcze długo poczekać.
Naukowcy rozważają implementację modelu w układach neutralnych atomów jako najbardziej perspektywicznej platformy eksperymentalnej. Prace obejmują też opracowanie metod diagnostycznych umożliwiających potwierdzenie uzyskania tej fazy materii. Bez wiarygodnych narzędzi pomiarowych dalszy postęp będzie niemożliwy.
Czytaj także: Półmetal Weyla i magnetyczny lód spinowy stworzyły coś niesamowitego. Ten nowy stan materii może zrewolucjonizować czujniki
Istnieje duże prawdopodobieństwo, że fermionowy kod torowy to pierwszy przedstawiciel całej klasy nieznanych wcześniej zjawisk. Kolejne przykłady topologicznych porządków w realistycznych temperaturach mogą kryć się w teoriach cechowania z anomalnymi symetriami dwuformowymi. To odkrycie otwiera nowy rozdział w badaniach nad kwantowym porządkiem topologicznym. Może prowadzić do stworzenia odpornych systemów kwantowych funkcjonujących poza idealnymi warunkami laboratoryjnymi.
Fizyka kwantowa ponownie udowodniła, że potrafi zaskakiwać. Fermionowy kod torowy pokazuje, że granice tego, co uważaliśmy za możliwe, wciąż się przesuwają. Choć entuzjazm należy ostudzić zdrowym sceptycyzmem, perspektywa kwantowych technologii działających bez kriogenicznych zamrażarek jest zbyt intrygująca, by ją ignorować.