Les matériaux quantiques ont été les invités les plus prometteurs et simultanément les plus frustrants du monde de la technologie : ils se présentent avec des capacités incroyables, mais seulement si on les gèle à près du zéro absolu. À température ambiante, la chaleur fait vibrer les atomes comme une foule sous caféine, ruinant les délicats effets quantiques que tout le monde essaie de contrôler. Cela a signifié d'énormes systèmes de réfrigération cryogénique – chers, encombrants, et à peu près aussi pratiques pour les appareils de tous les jours qu'un chasse-neige personnel.
Mais maintenant, des physiciens de LSU ont fait irruption dans la fête avec le premier matériau quantique à température ambiante capable d'identifier et de transporter des états quantiques distincts de la lumière. La percée, publiée dans Nature, s'attaque au plus grand obstacle dans la recherche sur les matériaux quantiques : le besoin de froid extrême.
Menée par le professeur associé Omar S. Magaña-Loaiza, l'équipe n'a pas simplement trébuché sur un nouveau matériau ; ils l'ont conçu de toutes pièces. Chenglong You, ancien postdoc maintenant à l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, était ravi que le design bizarre fonctionne exactement comme prévu : « L'une des parties les plus excitantes de ce projet a été de réaliser que nous pouvions construire un matériau qui fait quelque chose que la nature ne fournit pas d'elle-même. Le voir fonctionner exactement comme nous l'avions prédit a été incroyablement gratifiant. »
Voici la recette : prenez une puce en verre, déposez une fine couche d'or dessus, et utilisez des faisceaux d'ions focalisés pour graver des centaines de minuscules fentes. Chaque fente agit comme un atome artificiel, ou « méta-atome », et ensemble ils forment un cristal plus fin qu'un cheveu humain – la nature n'a jamais rien fait de tel. Lorsque la lumière frappe la puce, elle interagit avec ces méta-atomes, et en ajustant leur taille, leur forme et leur espacement, l'équipe contrôle la façon dont le matériau répond à la lumière. Le résultat ? Une manipulation de la lumière jamais réalisée auparavant à température ambiante.
Riley B. Dawkins, qui vient de terminer son doctorat et se dirige vers le NIST en tant que chercheur postdoctoral associé NRC, explique : « En concevant la distribution des méta-atomes dans le métacristal plasmonique, nous pouvons systématiquement dicter quelles statistiques quantiques sont autorisées à traverser la structure. Ainsi, notre cristal agit essentiellement comme un filtre statistique sur les états quantiques. »
Le métacristal ne reste pas simplement là ; il trie différents états quantiques de la lumière. La lumière du soleil, la lumière laser et la lumière fluorescente ont toutes des comportements photoniques différents, et les distinguer nécessite généralement un équipement complexe, des détecteurs cryogéniques et des millions de mesures. Ce cristal le fait tout seul, dirigeant différents états quantiques le long de routes séparées tout en préservant leurs statistiques – un tour appelé « transport robuste ». Comme le dit Magaña-Loaiza : « Ces états quantiques portent des informations. Notre cristal peut les distinguer et les déplacer d'un point à un autre de manière robuste sans nécessiter de refroidissement cryogénique. C'est ce qui ouvre la porte aux technologies quantiques pratiques. »
C'est le premier matériau quantique à température ambiante intrinsèquement sensible à la cohérence quantique dans les systèmes à plusieurs corps – un gros problème, car maintenir la cohérence est notoirement difficile.
L'équipe a même inventé un nouveau terme : « métacristal plasmonique statistique quantique ». Ils ont également découvert des « bandes statistiques quantiques », qui fonctionnent comme les structures de bandes électroniques dans les semi-conducteurs mais régissent les états quantiques de la lumière. En réarrangeant les méta-atomes, les chercheurs peuvent choisir quels états passent inchangés. Ce plan de conception pourrait engendrer toute une famille de matériaux quantiques sans avoir à les trouver dans la nature.
Le fonctionnement à température ambiante rend cela pertinent au-delà des laboratoires : les ordinateurs quantiques pourraient rétrécir sans systèmes de refroidissement géants, les réseaux de communication quantique pourraient devenir plus pratiques, et les capteurs pourraient devenir plus sensibles. De plus, le matériau pourrait améliorer les cellules solaires en guidant la lumière le long de chemins stables, empêchant la perte d'énergie sous forme de chaleur. L'équipe prévoit de tester cela ensuite en intégrant le métacristal dans des cellules solaires.
Le travail a été financé par le Département de l'énergie des États-Unis, Office des sciences fondamentales de l'énergie, Division des matériaux.