양자 물질은 기술계에서 가장 유망하면서도 동시에 가장 속 터지는 손님이었다. 놀라운 능력을 갖고 오지만, 절대 영도에 가깝게 얼려야만 그 능력을 발휘한다. 실온에서는 열 때문에 원자들이 카페인에 취한 군중처럼 진동하며, 모두가 제어하려는 섬세한 양자 효과를 망가뜨린다. 그 결과, 엄청나게 비싸고 부피 큰 극저온 냉동 시스템이 필요해졌는데, 일상적인 기기에 사용하기에는 마치 개인용 제설차만큼이나 실용적이지 못했다.

하지만 이제 LSU 물리학자들이 최초로 실온에서 작동하는 양자 물질을 개발해 파티에 불쑥 끼어들었다. 이 물질은 빛의 서로 다른 양자 상태를 식별하고 전송할 수 있다. Nature에 발표된 이 돌파구는 양자 물질 연구의 가장 큰 장애물인 극한의 저온 필요성을 해결했다.

오마르 S. 마가냐-로아이자 부교수가 이끄는 팀은 우연히 새 물질을 발견한 것이 아니라 처음부터 설계했다. 현재 중국 전자과학기술대학에 있는 전 박사후 연구원인 유 청롱은 기발한 설계가 예측대로 작동했을 때 매우 기뻤다: "이 프로젝트에서 가장 흥미로웠던 점 중 하나는 자연이 제공하지 않는 것을 우리가 만들 수 있다는 것을 깨달은 것이었습니다. 그것이 정확히 예측한 대로 작동하는 것을 보는 것은 매우 보람찼습니다."

제조법은 다음과 같다: 유리 칩에 얇은 금 층을 입히고, 집속 이온 빔으로 수백 개의 미세한 슬릿을 새긴다. 각 슬릿은 인공 원자, 즉 '메타 원자' 역할을 하며, 이들이 모여 사람 머리카락보다 얇은 결정을 형성한다. 자연은 이런 것을 만든 적이 없다. 빛이 칩에 닿으면 메타 원자와 상호작용하며, 크기, 모양, 간격을 조정함으로써 팀은 물질이 빛에 반응하는 방식을 제어한다. 그 결과, 실온에서 이전에는 달성할 수 없었던 빛 조작이 가능해졌다.

막 박사 학위를 마치고 NIST에서 NRC 박사후 연구원으로 일하게 된 라일리 B. 도킨스는 설명한다: "플라즈모닉 메타결정에서 메타 원자의 분포를 설계함으로써, 어떤 양자 통계가 구조를 통과할 수 있는지 체계적으로 결정할 수 있습니다. 따라서 우리의 결정은 본질적으로 양자 상태에 대한 통계적 필터 역할을 합니다."

메타결정은 그냥 가만히 있지 않는다. 빛의 서로 다른 양자 상태를 분류한다. 햇빛, 레이저 빛, 형광 빛은 모두 다른 광자 거동을 가지며, 이를 구별하려면 일반적으로 복잡한 장비, 극저온 검출기, 수백만 번의 측정이 필요하다. 이 결정은 스스로 그 일을 해내며, 서로 다른 양자 상태를 각각의 경로로 안내하면서 통계를 보존한다. 이는 '견고한 수송'이라고 불리는 기술이다. 마가냐-로아이자의 말: "이 양자 상태들은 정보를 담고 있습니다. 우리의 결정은 그것들을 구별하고 극저온 냉각 없이 한 지점에서 다른 지점으로 견고하게 이동시킬 수 있습니다. 그것이 실용적인 양자 기술로 가는 문을 여는 것입니다."

이것은 다체 시스템에서 양자 결맞음에 본질적으로 민감한 최초의 실온 양자 물질이다. 결맞음을 유지하는 것이 악명 높게 어렵기 때문에 이는 큰 의미가 있다.

팀은 '양자 통계 플라즈모닉 메타결정'이라는 새로운 용어도 만들었다. 또한 반도체의 전자 밴드 구조와 유사하지만 빛의 양자 상태를 지배하는 '양자 통계 밴드'도 발견했다. 메타 원자를 재배열함으로써 연구자들은 어떤 상태가 변경 없이 통과할지 선택할 수 있다. 이 설계 청사진은 자연에서 찾을 필요 없이 양자 물질의 새로운 가족을 탄생시킬 수 있다.

실온 작동은 이 기술을 실험실 밖에서도 유용하게 만든다: 양자 컴퓨터는 거대한 냉각 시스템 없이 작아질 수 있고, 양자 통신 네트워크는 더 실용적이 될 수 있으며, 센서는 더 민감해질 수 있다. 게다가 이 물질은 빛을 안정적인 경로로 안내하여 열로 인한 에너지 손실을 방지함으로써 태양 전지를 향상시킬 수 있다. 팀은 다음 단계로 메타결정을 태양 전지에 통합하여 이를 테스트할 계획이다.

이 연구는 미국 에너지부 기초 에너지 과학 사무소의 지원을 받았다.