Los materiales cuánticos han sido los invitados más prometedores y, a la vez, más frustrantes del mundo tecnológico: llegan con habilidades increíbles, pero solo si los congelas a casi cero absoluto. A temperatura ambiente, el calor hace que los átomos vibren como una multitud con exceso de cafeína, arruinando los delicados efectos cuánticos que todos intentan controlar. Esto ha implicado sistemas masivos de refrigeración criogénica: caros, voluminosos y tan prácticos para dispositivos cotidianos como un quitanieves personal.

Pero ahora, unos físicos de LSU han irrumpido en la fiesta con el primer material cuántico a temperatura ambiente capaz de identificar y transportar distintos estados cuánticos de la luz. El avance, publicado en Nature, aborda el mayor obstáculo en la investigación de materiales cuánticos: la necesidad de frío extremo.

Liderado por el profesor asociado Omar S. Magaña-Loaiza, el equipo no solo tropezó con un nuevo material; lo diseñaron desde cero. Chenglong You, antiguo posdoc ahora en la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, se emocionó cuando el extraño diseño funcionó exactamente como se predijo: "Una de las partes más emocionantes de este proyecto fue darnos cuenta de que podíamos construir un material que hace algo que la naturaleza no proporciona por sí sola. Verlo funcionar exactamente como predijimos fue increíblemente gratificante".

Aquí está la receta: toma un chip de vidrio, ponle una fina capa de oro y usa haces de iones enfocados para tallar cientos de pequeñas ranuras. Cada ranura actúa como un átomo artificial, o 'metaátomo', y juntos forman un cristal más delgado que un cabello humano; la naturaleza nunca hizo algo así. Cuando la luz incide en el chip, interactúa con estos metaátomos, y al ajustar su tamaño, forma y espaciado, el equipo controla cómo responde el material a la luz. ¿El resultado? Una manipulación de la luz nunca antes lograda a temperatura ambiente.

Riley B. Dawkins, quien acaba de terminar su doctorado y se dirige a NIST como investigador posdoctoral asociado de NRC, explica: "Al diseñar la distribución de metaátomos en el metacristal plasmónico, podemos dictar sistemáticamente qué estadísticas cuánticas se permiten pasar a través de la estructura. Así, nuestro cristal actúa esencialmente como un filtro estadístico sobre los estados cuánticos".

El metacristal no solo se queda ahí; clasifica diferentes estados cuánticos de la luz. La luz solar, la luz láser y la luz fluorescente tienen diferentes comportamientos de fotones, y distinguirlos generalmente requiere equipos complejos, detectores criogénicos y millones de mediciones. Este cristal lo hace por sí solo, dirigiendo diferentes estados cuánticos por rutas separadas mientras preserva sus estadísticas: un truco llamado 'transporte robusto'. Como dice Magaña-Loaiza: "Estos estados cuánticos llevan información. Nuestro cristal puede distinguirlos y moverlos de un punto a otro de manera robusta sin necesidad de enfriamiento criogénico. Eso es lo que abre la puerta a tecnologías cuánticas prácticas".

Este es el primer material cuántico a temperatura ambiente inherentemente sensible a la coherencia cuántica en sistemas de muchos cuerpos, algo importante, ya que mantener la coherencia es notoriamente difícil.

El equipo incluso acuñó un nuevo término: 'metacristal plasmónico de estadística cuántica'. También descubrieron 'bandas de estadística cuántica', que funcionan como las estructuras de bandas electrónicas en semiconductores pero gobiernan los estados cuánticos de la luz. Al reorganizar los metaátomos, los investigadores pueden elegir qué estados pasan sin cambios. Este plano de diseño podría generar toda una familia de materiales cuánticos sin necesidad de encontrarlos en la naturaleza.

La operación a temperatura ambiente hace que esto sea relevante más allá de los laboratorios: las computadoras cuánticas podrían encogerse sin sistemas de enfriamiento gigantes, las redes de comunicación cuántica podrían volverse más prácticas y los sensores podrían ser más sensibles. Además, el material podría impulsar las celdas solares al guiar la luz por caminos estables, evitando la pérdida de energía como calor. El equipo planea probar eso a continuación integrando el metacristal en celdas solares.

El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias de la Energía Básica, División de M