量子材料は、テクノロジー界で最も有望でありながら、同時に最もイライラさせるゲストのような存在だ。驚くべき能力を持って現れるが、その能力を発揮するには絶対零度近くまで冷やす必要がある。室温では、熱によって原子がカフェインを摂取した群衆のように振動し、誰もが制御しようとしている繊細な量子効果を台無しにしてしまう。そのため、巨大な極低温冷凍システムが必要となり、それは高価で、かさばり、日常的なデバイスにとっては個人用除雪車と同じくらい実用的ではない。

しかし今、LSUの物理学者たちが、光の異なる量子状態を識別し輸送できる初の室温量子材料で、パーティーに乱入した。この画期的な成果は『Nature』に掲載され、量子材料研究における最大の障害である極低温の必要性に取り組むものだ。

准教授のオマール・S・マガニャ＝ロアイザ氏が率いるチームは、新しい材料を偶然見つけたわけではなく、ゼロから設計した。元博士研究員で現在は中国電子科技大学に所属するYou Chenglong氏は、奇妙な設計が予測通りに機能したことに興奮した。「このプロジェクトで最もエキサイティングだったのは、自然が提供しないものを材料で作れると気づいたことです。それが予測通りに機能するのを見るのは、信じられないほどやりがいがありました」

レシピはこうだ：ガラスチップを取り、その上に金の薄い層を蒸着し、集束イオンビームで何百もの微細なスリットを彫る。各スリットは人工原子、つまり「メタ原子」として機能し、それらが集まって人間の髪の毛よりも薄い結晶を形成する。自然界にはこんなものは存在しない。光がチップに当たると、これらのメタ原子と相互作用し、サイズ、形状、間隔を調整することで、材料が光にどう反応するかを制御できる。その結果、室温ではこれまで達成されなかった光の操作が可能になった。

博士号を取得したばかりで、NISTでNRC博士研究員として働く予定のライリー・B・ドーキンス氏は説明する：「プラズモニックメタ結晶中のメタ原子の分布を設計することで、どの量子統計が構造を通過することを許されるかを体系的に決定できます。つまり、私たちの結晶は本質的に量子状態の統計フィルターとして機能するのです」

メタ結晶はただそこにあるだけでなく、光の異なる量子状態を選別する。太陽光、レーザー光、蛍光はすべて異なる光子挙動を持ち、それらを区別するには通常、複雑な装置、極低温検出器、そして何百万もの測定が必要だ。この結晶はそれ自体で、異なる量子状態を別々の経路に導きながら、その統計を保存する。これは「ロバスト輸送」と呼ばれるトリックだ。マガニャ＝ロアイザ氏はこう語る：「これらの量子状態は情報を運びます。私たちの結晶はそれらを識別し、極低温冷却を必要とせずに、ある点から別の点へロバストに移動させることができます。それが実用的な量子技術への扉を開くのです」

これは、多体系における量子コヒーレンスに本質的に敏感な初の室温量子材料である。コヒーレンスの維持が非常に難しいことで知られているため、これは大きな成果だ。

チームは「量子統計プラズモニックメタ結晶」という新しい用語も作った。また、半導体の電子バンド構造のように機能するが、光の量子状態を支配する「量子統計バンド」も発見した。メタ原子を再配置することで、研究者はどの状態が変化せずに通過するかを選択できる。この設計図は、自然界で探すことなく、量子材料のファミリー全体を生み出す可能性がある。

室温での動作は、研究室の外でも重要だ：量子コンピューターは巨大な冷却システムなしで小型化でき、量子通信ネットワークはより実用的になり、センサーはより高感度になる可能性がある。さらに、この材料は、光を安定した経路に導き、熱としてのエネルギー損失を防ぐことで、太陽電池を強化するかもしれない。チームは次に、メタ結晶を太陽電池に統合してこれをテストする予定だ。

この研究は、米国エネルギー省基礎エネルギー科学局の支援を受けた。