كانت المواد الكمومية أكثر ضيوف عالم التكنولوجيا وعدًا، وفي الوقت نفسه أكثرهم إحباطًا: فهي تظهر بقدرات مذهلة، ولكن فقط إذا قمت بتجميدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق. في درجة حرارة الغرفة، تجعل الحرارة الذرات تهتز مثل حشد يتغذى على الكافيين، مما يفسد التأثيرات الكمومية الدقيقة التي يحاول الجميع السيطرة عليها. وقد عنى هذا أنظمة تبريد ضخمة - مكلفة، وضخمة، وعملية للأجهزة اليومية بقدر عملية كاسحة ثلوج شخصية.

لكن الآن، قام فيزيائيون من جامعة ولاية لويزيانا (LSU) باقتحام الحفلة بأول مادة كمومية في درجة حرارة الغرفة يمكنها تحديد ونقل حالات كمومية مميزة من الضوء. هذا الاختراق، المنشور في مجلة Nature، يعالج أكبر عقبة في أبحاث المواد الكمومية: الحاجة إلى البرودة الشديدة.

بقيادة الأستاذ المشارك عمر س. ماغانيا-لوازا، لم يتعثر الفريق في العثور على مادة جديدة فحسب؛ بل قاموا بهندستها من الصفر. كان تشنغلونغ يو، باحث ما بعد الدكتوراه السابق الآن في جامعة العلوم الإلكترونية والتكنولوجيا في الصين، متحمسًا عندما عمل التصميم الغريب تمامًا كما هو متوقع: "كان أحد أكثر الأجزاء إثارة في هذا المشروع هو إدراك أننا نستطيع بناء مادة تفعل شيئًا لا توفره الطبيعة بمفردها. رؤيتها تعمل تمامًا كما توقعنا كان مجزيًا بشكل لا يصدق."

إليك الوصفة: خذ شريحة زجاجية، ضع طبقة رقيقة من الذهب عليها، واستخدم حزم أيونات مركزة لنحت مئات الشقوق الصغيرة. كل شق يعمل كذرة اصطناعية، أو 'ذرة-ميتا'، وتشكل معًا بلورة أرق من شعرة الإنسان - لم تصنع الطبيعة شيئًا مثلها أبدًا. عندما يضرب الضوء الشريحة، يتفاعل مع هذه الذرات-الميتا، ومن خلال تعديل حجمها وشكلها وتباعدها، يتحكم الفريق في كيفية استجابة المادة للضوء. النتيجة؟ معالجة ضوء لم تتحقق من قبل في درجة حرارة الغرفة.

يشرح رايلي ب. دوكينز، الذي أنهى للتو درجة الدكتوراه ويتوجه إلى NIST كباحث مشارك بعد الدكتوراه في NRC: "من خلال هندسة توزيع الذرات-الميتا في البلورة الفوقية البلازمونية، يمكننا تحديد الإحصاءات الكمومية المسموح لها بالمرور عبر البنية بشكل منهجي. لذا، تعمل بلورتنا بشكل أساسي كمرشح إحصائي للحالات الكمومية."

البلورة الفوقية لا تقف مكتوفة الأيدي؛ إنها تفرز حالات كمومية مختلفة من الضوء. ضوء الشمس، وضوء الليزر، والضوء الفلوري لها جميعًا سلوكيات فوتونات مختلفة، وتمييزها عادة يتطلب معدات معقدة، وكاشفات مبردة، وملايين القياسات. هذه البلورة تفعل ذلك بمفردها، وتوجه حالات كمومية مختلفة على طول مسارات منفصلة مع الحفاظ على إحصاءاتها - وهي خدعة تسمى 'النقل القوي'. كما يقول ماغانيا-لوازا: "تحمل هذه الحالات الكمومية معلومات. يمكن لبلورتنا تمييزها ونقلها من نقطة إلى أخرى بطريقة قوية دون الحاجة إلى تبريد بالتبريد. هذا ما يفتح الباب أمام تقنيات كمومية عملية."

هذه هي أول مادة كمومية في درجة حرارة الغرفة حساسة بطبيعتها للتماسك الكمومي في الأنظمة متعددة الأجسام - وهذا أمر كبير، لأن الحفاظ على التماسك صعب بشكل سيئ السمعة.

حتى أن الفريق صاغ مصطلحًا جديدًا: 'بلورة فوقية بلازمونية إحصائية كمومية'. كما اكتشفوا 'نطاقات إحصائية كمومية'، والتي تعمل مثل هياكل النطاقات الإلكترونية في أشباه الموصلات ولكنها تحكم الحالات الكمومية للضوء. من خلال إعادة ترتيب الذرات-الميتا، يمكن للباحثين اختيار الحالات التي تمر دون تغيير. يمكن أن ينتج مخطط التصميم هذا عائلة كاملة من المواد الكمومية دون الحاجة إلى العثور عليها في الطبيعة.

العمل في درجة حرارة الغرفة يجعل هذا ذا صلة بما يتجاوز المختبرات: يمكن أن تتقلص أجهزة الكمبيوتر الكمومية دون أنظمة تبريد ضخمة، ويمكن أن تصبح شبكات الاتصالات الكمومية أكثر عملية، ويمكن أن تصبح أجهزة الاستشعار أكثر حساسية. بالإضافة إلى ذلك، قد تعزز المادة الخلايا الشمسية من خلال توجيه الضوء على طول مسارات مستقرة، مما يمنع فقدان الطاقة كحرارة. يخطط الفريق لاختبار ذلك بعد ذلك من خلال دمج البلورة الفوقية في الخلايا الشمسية.

تم تمويل العمل من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب علوم الطاقة الأساسية، قسم المواد