I materiali quantistici sono stati gli ospiti più promettenti e allo stesso tempo più frustranti del mondo tecnologico: si presentano con abilità incredibili, ma solo se li congeli a temperature vicine allo zero assoluto. A temperatura ambiente, il calore fa vibrare gli atomi come una folla eccitata dalla caffeina, rovinando i delicati effetti quantistici che tutti cercano di controllare. Questo ha significato sistemi di refrigerazione criogenica enormi - costosi, ingombranti e pratici per i dispositivi di tutti i giorni quanto uno spazzaneve personale.

Ma ora, i fisici della LSU hanno fatto irruzione alla festa con il primo materiale quantistico a temperatura ambiente in grado di identificare e trasportare distinti stati quantistici della luce. La scoperta, pubblicata su Nature, affronta il più grande ostacolo nella ricerca sui materiali quantistici: la necessità di freddo estremo.

Guidato dal Professore Associato Omar S. Magaña-Loaiza, il team non si è imbattuto per caso in un nuovo materiale; lo hanno progettato da zero. Chenglong You, ex postdoc ora alla University of Electronic Science and Technology of China, era entusiasta quando il progetto strano ha funzionato esattamente come previsto: "Una delle parti più emozionanti di questo progetto è stata rendersi conto che potevamo costruire un materiale che fa qualcosa che la natura non fornisce da sola. Vederlo funzionare esattamente come avevamo previsto è stato incredibilmente gratificante."

Ecco la ricetta: prendi un chip di vetro, applica un sottile strato d'oro, e usa fasci ionici focalizzati per incidere centinaia di minuscole fessure. Ogni fessura agisce come un atomo artificiale, o 'meta-atomo', e insieme formano un cristallo più sottile di un capello umano - la natura non ha mai creato nulla di simile. Quando la luce colpisce il chip, interagisce con questi meta-atomi, e modificando la loro dimensione, forma e spaziatura, il team controlla come il materiale risponde alla luce. Il risultato? Manipolazione della luce mai ottenuta prima a temperatura ambiente.

Riley B. Dawkins, che ha appena completato il suo dottorato e si dirige al NIST come NRC Postdoctoral Research Associate, spiega: "Progettando la distribuzione dei meta-atomi nel metacristallo plasmonico, possiamo dettare sistematicamente quali statistiche quantistiche sono autorizzate a passare attraverso la struttura. Quindi, il nostro cristallo agisce essenzialmente come un filtro statistico sugli stati quantistici."

Il metacristallo non sta solo lì; ordina diversi stati quantistici della luce. La luce solare, la luce laser e la luce fluorescente hanno tutti comportamenti fotonici diversi, e distinguerli di solito richiede attrezzature complesse, rivelatori criogenici e milioni di misurazioni. Questo cristallo lo fa da solo, dirigendo diversi stati quantistici lungo percorsi separati mentre preserva le loro statistiche - un trucco chiamato 'trasporto robusto'. Come dice Magaña-Loaiza: "Questi stati quantistici trasportano informazioni. Il nostro cristallo può distinguerli e spostarli da un punto a un altro in modo robusto senza richiedere raffreddamento criogenico. Questo è ciò che apre la porta alle tecnologie quantistiche pratiche."

Questo è il primo materiale quantistico a temperatura ambiente intrinsecamente sensibile alla coerenza quantistica in sistemi a molti corpi - un grande risultato, poiché mantenere la coerenza è notoriamente difficile.

Il team ha anche coniato un nuovo termine: 'metacristallo plasmonico a statistica quantistica'. Hanno anche scoperto 'bande statistiche quantistiche', che funzionano come le strutture a bande elettroniche nei semiconduttori ma governano gli stati quantistici della luce. Riorganizzando i meta-atomi, i ricercatori possono scegliere quali stati passano inalterati. Questo progetto potrebbe dare origine a un'intera famiglia di materiali quantistici senza bisogno di trovarli in natura.

Il funzionamento a temperatura ambiente rende questo rilevante oltre i laboratori: i computer quantistici potrebbero ridursi senza enormi sistemi di raffreddamento, le reti di comunicazione quantistica potrebbero diventare più pratiche, e i sensori potrebbero diventare più sensibili. Inoltre, il materiale potrebbe potenziare le celle solari guidando la luce lungo percorsi stabili, prevenendo la perdita di energia sotto forma di calore. Il team prevede di testarlo prossimamente integrando il metacristallo nelle celle solari.

Il lavoro è stato finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Ufficio delle Scienze dell'Energia di Base, Divisione di M