Materiały kwantowe były najbardziej obiecującymi i jednocześnie najbardziej frustrującymi gośćmi świata technologii: pojawiają się z niesamowitymi zdolnościami, ale tylko jeśli zamrozisz je do temperatury bliskiej zera absolutnego. W temperaturze pokojowej ciepło powoduje, że atomy wibrują jak tłum po kofeinie, niszcząc delikatne efekty kwantowe, które wszyscy próbują kontrolować. Oznaczało to konieczność stosowania masywnych systemów chłodzenia kriogenicznego - drogich, nieporęcznych i praktycznie tak przydatnych w codziennych urządzeniach jak osobisty pług śnieżny.
Ale teraz fizycy z LSU wpadli na imprezę z pierwszym materiałem kwantowym działającym w temperaturze pokojowej, który potrafi identyfikować i transportować różne stany kwantowe światła. Przełom, opublikowany w Nature, rozwiązuje największą przeszkodę w badaniach nad materiałami kwantowymi: potrzebę ekstremalnego zimna.
Zespół kierowany przez profesora nadzwyczajnego Omara S. Magaña-Loaiza nie tylko natknął się na nowy materiał; zaprojektował go od podstaw. Chenglong You, były postdoc, obecnie na Uniwersytecie Elektronicznej Nauki i Technologii Chin, był zachwycony, gdy dziwny projekt zadziałał dokładnie zgodnie z przewidywaniami: "Jednym z najbardziej ekscytujących momentów tego projektu było uświadomienie sobie, że możemy zbudować materiał, który robi coś, czego natura nie zapewnia sama. Zobaczenie, że działa dokładnie tak, jak przewidzieliśmy, było niezwykle satysfakcjonujące."
Oto przepis: weź szklany chip, nałóż cienką warstwę złota i użyj skupionych wiązek jonów, aby wyciąć setki maleńkich szczelin. Każda szczelina działa jak sztuczny atom, czyli 'meta-atom', a razem tworzą kryształ cieńszy niż ludzki włos - natura nigdy czegoś takiego nie stworzyła. Kiedy światło pada na chip, oddziałuje z tymi meta-atomami, a dostosowując ich rozmiar, kształt i odstępy, zespół kontroluje, jak materiał reaguje na światło. Efekt? Manipulacja światłem nigdy wcześniej nieosiągalna w temperaturze pokojowej.
Riley B. Dawkins, który właśnie ukończył doktorat i udaje się do NIST jako pracownik naukowy podoktorancki NRC, wyjaśnia: "Poprzez zaprojektowanie rozmieszczenia meta-atomów w plazmonicznym metakrysztale możemy systematycznie decydować, które statystyki kwantowe mogą przejść przez strukturę. Tak więc nasz kryształ działa zasadniczo jako filtr statystyczny na stanach kwantowych."
Metakryształ nie tylko tam siedzi; sortuje różne stany kwantowe światła. Światło słoneczne, światło lasera i światło fluorescencyjne mają różne zachowania fotonów, a ich rozróżnienie zwykle wymaga skomplikowanego sprzętu, detektorów kriogenicznych i milionów pomiarów. Ten kryształ robi to sam, kierując różne stany kwantowe oddzielnymi trasami, zachowując ich statystyki - sztuczka zwana 'solidnym transportem'. Jak ujmuje to Magaña-Loaiza: "Te stany kwantowe niosą informację. Nasz kryształ potrafi je rozróżnić i przenieść z jednego punktu do drugiego w solidny sposób bez potrzeby chłodzenia kriogenicznego. To otwiera drzwi do praktycznych technologii kwantowych."
To pierwszy materiał kwantowy działający w temperaturze pokojowej, który jest z natury wrażliwy na koherencję kwantową w układach wielociałowych - to duża sprawa, ponieważ utrzymanie koherencji jest notorycznie trudne.
Zespół ukuł nawet nowy termin: 'kwantowy statystyczny plazmoniczny metakryształ'. Odkryli również 'kwantowe pasma statystyczne', które działają jak elektroniczne struktury pasmowe w półprzewodnikach, ale rządzą stanami kwantowymi światła. Poprzez przearanżowanie meta-atomów badacze mogą wybrać, które stany przechodzą bez zmian. Ten projekt może dać początek całej rodzinie materiałów kwantowych bez konieczności szukania ich w naturze.
Działanie w temperaturze pokojowej czyni to istotnym poza laboratoriami: komputery kwantowe mogą się zmniejszyć bez ogromnych systemów chłodzenia, sieci komunikacji kwantowej mogą stać się bardziej praktyczne, a czujniki mogą być bardziej czułe. Ponadto materiał może zwiększyć wydajność ogniw słonecznych, prowadząc światło stabilnymi ścieżkami, zapobiegając utracie energii jako ciepło. Zespół planuje przetestować to w następnej kolejności, integrując metakryształ z ogniwami słonecznymi.
Prace finansowało amerykańskie Departament Energii, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych, Wydział M