Quantenmaterialien waren die vielversprechendsten und gleichzeitig frustrierendsten Gäste der Tech-Welt: Sie zeigen unglaubliche Fähigkeiten, aber nur, wenn man sie auf nahe den absoluten Nullpunkt herunterkühlt. Bei Zimmertemperatur bringt Hitze die Atome zum Vibrieren wie eine koffeingeladene Menge und zerstört die empfindlichen Quanteneffekte, die alle zu kontrollieren versuchen. Das bedeutete massive kryogene Kühlsysteme – teuer, sperrig und für den Alltagsgebrauch etwa so praktisch wie ein persönlicher Schneepflug.
Doch nun haben Physiker der LSU die Party mit dem ersten Quantenmaterial bei Zimmertemperatur gesprengt, das verschiedene Quantenzustände von Licht identifizieren und transportieren kann. Der Durchbruch, veröffentlicht in Nature, geht das größte Hindernis in der Quantenmaterialforschung an: die Notwendigkeit extremer Kälte.
Unter der Leitung von außerordentlichem Professor Omar S. Magaña-Loaiza hat das Team nicht einfach ein neues Material entdeckt; sie haben es von Grund auf konstruiert. Chenglong You, ein ehemaliger Postdoc, jetzt an der University of Electronic Science and Technology of China, war begeistert, als das ausgefallene Design genau wie vorhergesagt funktionierte: „Einer der aufregendsten Teile dieses Projekts war die Erkenntnis, dass wir ein Material bauen können, das die Natur nicht von selbst hervorbringt. Zu sehen, dass es genau wie vorhergesagt funktioniert, war unglaublich lohnend.“
Hier ist das Rezept: Nimm einen Glaschip, trage eine dünne Goldschicht auf und verwende fokussierte Ionenstrahlen, um Hunderte winziger Schlitze zu ätzen. Jeder Schlitz wirkt wie ein künstliches Atom, ein sogenanntes „Meta-Atom“, und zusammen bilden sie einen Kristall, der dünner ist als ein menschliches Haar – die Natur hat so etwas nie hervorgebracht. Wenn Licht auf den Chip trifft, interagiert es mit diesen Meta-Atomen, und durch die Anpassung ihrer Größe, Form und Abstände kontrolliert das Team, wie das Material auf Licht reagiert. Das Ergebnis? Lichtmanipulation, die bei Zimmertemperatur nie zuvor erreicht wurde.
Riley B. Dawkins, der gerade seine Promotion abgeschlossen hat und als NRC-Postdoktorand zum NIST geht, erklärt: „Durch die Konstruktion der Verteilung von Meta-Atomen im plasmonischen Metakristall können wir systematisch bestimmen, welche Quantenstatistiken durch die Struktur gelangen dürfen. Unser Kristall fungiert also im Wesentlichen als statistischer Filter für Quantenzustände.“
Der Metakristall sitzt nicht nur herum; er sortiert verschiedene Quantenzustände von Licht. Sonnenlicht, Laserlicht und Fluoreszenzlicht haben alle unterschiedliche Photonenverhalten, und ihre Unterscheidung erfordert normalerweise komplexe Geräte, kryogene Detektoren und Millionen von Messungen. Dieser Kristall macht es von selbst, indem er verschiedene Quantenzustände entlang getrennter Routen lenkt und dabei ihre Statistiken bewahrt – ein Trick namens „robuster Transport“. Wie Magaña-Loaiza es ausdrückt: „Diese Quantenzustände tragen Informationen. Unser Kristall kann sie unterscheiden und sie auf robuste Weise von einem Punkt zum anderen bewegen, ohne kryogene Kühlung. Das öffnet die Tür zu praktischen Quantentechnologien.“
Dies ist das erste Quantenmaterial bei Zimmertemperatur, das von Natur aus empfindlich auf Quantenkohärenz in Vielteilchensystemen reagiert – eine große Sache, da die Aufrechterhaltung von Kohärenz bekanntermaßen schwierig ist.
Das Team hat sogar einen neuen Begriff geprägt: „quantenstatistischer plasmonischer Metakristall“. Sie entdeckten auch „quantenstatistische Bänder“, die wie die elektronischen Bandstrukturen in Halbleitern funktionieren, aber die Quantenzustände des Lichts steuern. Durch die Umordnung von Meta-Atomen können Forscher wählen, welche Zustände unverändert durchgelassen werden. Dieser Bauplan könnte eine ganze Familie von Quantenmaterialien hervorbringen, ohne sie in der Natur suchen zu müssen.
Der Betrieb bei Zimmertemperatur macht dies auch außerhalb von Laboren relevant: Quantencomputer könnten ohne riesige Kühlsysteme schrumpfen, Quantenkommunikationsnetze könnten praktikabler werden und Sensoren empfindlicher. Außerdem könnte das Material Solarzellen verbessern, indem es Licht entlang stabiler Pfade führt und Energieverlust als Wärme verhindert. Das Team plant, dies als Nächstes zu testen, indem es den Metakristall in Solarzellen integriert.
Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium, Büro für Grundlagenenergiewissenschaften, Abteilung M