Quantum materialen zijn de meest veelbelovende en tegelijkertijd meest frustrerende gasten van de techwereld: ze tonen ongelooflijke capaciteiten, maar alleen als je ze bevriest tot bijna het absolute nulpunt. Bij kamertemperatuur zorgt warmte ervoor dat atomen trillen als een door cafeïne opgejutte menigte, waardoor de delicate kwantumeffecten die iedereen probeert te beheersen, worden verstoord. Dit heeft geleid tot enorme cryogene koelsystemen - duur, omvangrijk en ongeveer zo praktisch voor alledaagse apparaten als een persoonlijke sneeuwploeg.

Maar nu hebben LSU-natuurkundigen het feestje gekaapt met het eerste kwantummateriaal bij kamertemperatuur dat verschillende kwantumtoestanden van licht kan identificeren en transporteren. De doorbraak, gepubliceerd in Nature, pakt het grootste obstakel in kwantummateriaalonderzoek aan: de behoefte aan extreme kou.

Onder leiding van universitair hoofddocent Omar S. Magaña-Loaiza heeft het team niet zomaar een nieuw materiaal ontdekt; ze hebben het vanaf nul ontworpen. Chenglong You, een voormalige postdoc nu aan de University of Electronic Science and Technology of China, was opgetogen toen het vreemde ontwerp precies werkte zoals voorspeld: "Een van de meest opwindende delen van dit project was het besef dat we een materiaal konden bouwen dat iets doet wat de natuur niet uit zichzelf biedt. Zien dat het precies werkte zoals we voorspelden, was ongelooflijk lonend."

Hier is het recept: neem een glazen chip, breng er een dunne laag goud op aan en gebruik gefocusseerde ionenbundels om honderden kleine spleten te etsen. Elke spleet fungeert als een kunstmatig atoom, of 'meta-atoom', en samen vormen ze een kristal dunner dan een mensenhaar - de natuur heeft zoiets nooit gemaakt. Wanneer licht op de chip valt, interageert het met deze meta-atomen, en door hun grootte, vorm en afstand aan te passen, controleert het team hoe het materiaal op licht reageert. Het resultaat? Lichtmanipulatie die nog nooit eerder bij kamertemperatuur is bereikt.

Riley B. Dawkins, die net zijn doctoraat heeft afgerond en naar NIST gaat als NRC Postdoctoral Research Associate, legt uit: "Door de verdeling van meta-atomen in het plasmonische metakristal te ontwerpen, kunnen we systematisch bepalen welke kwantumstatistieken door de structuur mogen passeren. Ons kristal fungeert dus in wezen als een statistisch filter op kwantumtoestanden."

Het metakristal zit niet alleen maar stil; het sorteert verschillende kwantumtoestanden van licht. Zonlicht, laserlicht en fluorescerend licht hebben allemaal verschillende fotonen-gedragingen, en om ze te onderscheiden heb je normaal gesproken complexe apparatuur, cryogene detectoren en miljoenen metingen nodig. Dit kristal doet het zelfstandig, door verschillende kwantumtoestanden langs afzonderlijke routes te sturen terwijl het hun statistieken behoudt - een truc die 'robuust transport' wordt genoemd. Zoals Magaña-Loaiza het zegt: "Deze kwantumtoestanden dragen informatie. Ons kristal kan ze onderscheiden en ze op een robuuste manier van het ene punt naar het andere verplaatsen zonder cryogene koeling. Dat is wat de deur opent naar praktische kwantumtechnologieën."

Dit is het eerste kwantummateriaal bij kamertemperatuur dat inherent gevoelig is voor kwantumcoherentie in veel-deeltjessystemen - een groot probleem, aangezien het handhaven van coherentie notoir moeilijk is.

Het team heeft zelfs een nieuwe term bedacht: 'kwantumstatistisch plasmonisch metakristal'. Ze ontdekten ook 'kwantumstatistische banden', die werken als de elektronische bandstructuren in halfgeleiders, maar de kwantumtoestanden van licht beheersen. Door meta-atomen te herschikken, kunnen onderzoekers kiezen welke toestanden ongewijzigd passeren. Dit ontwerpblauwdruk zou een hele familie van kwantummaterialen kunnen voortbrengen zonder ze in de natuur te hoeven vinden.

Werking bij kamertemperatuur maakt dit relevant buiten laboratoria: kwantumcomputers zouden kunnen krimpen zonder enorme koelsystemen, kwantumcommunicatienetwerken zouden praktischer kunnen worden, en sensoren zouden gevoeliger kunnen worden. Bovendien zou het materiaal zonnecellen kunnen verbeteren door licht langs stabiele paden te leiden, waardoor energieverlies als warmte wordt voorkomen. Het team is van plan dit als volgende te testen door het metakristal in zonnecellen te integreren.

Het werk werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Basic Energy Sciences, Division of M