Os materiais quânticos têm sido os convidados mais promissores e, ao mesmo tempo, mais frustrantes do mundo da tecnologia: eles aparecem com habilidades incríveis, mas apenas se você os congelar até perto do zero absoluto. À temperatura ambiente, o calor faz os átomos vibrarem como uma multidão cheia de cafeína, destruindo os delicados efeitos quânticos que todos tentam controlar. Isso tem significado sistemas massivos de refrigeração criogênica - caros, volumosos e tão práticos para dispositivos do dia a dia quanto um limpa-neves pessoal.

Mas agora, físicos da LSU invadiram a festa com o primeiro material quântico à temperatura ambiente que consegue identificar e transportar estados quânticos distintos da luz. A descoberta, publicada na Nature, enfrenta o maior obstáculo na pesquisa de materiais quânticos: a necessidade de frio extremo.

Liderados pelo Professor Associado Omar S. Magaña-Loaiza, a equipe não apenas tropeçou em um novo material; eles o projetaram do zero. Chenglong You, ex-pós-doc agora na Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China, ficou entusiasmado quando o design estranho funcionou exatamente como previsto: "Uma das partes mais emocionantes deste projeto foi perceber que poderíamos construir um material que faz algo que a natureza não fornece por conta própria. Ver funcionar exatamente como previmos foi incrivelmente gratificante."

Aqui está a receita: pegue um chip de vidro, coloque uma fina camada de ouro nele e use feixes de íons focados para esculpir centenas de pequenas fendas. Cada fenda age como um átomo artificial, ou 'meta-átomo', e juntos formam um cristal mais fino que um fio de cabelo - a natureza nunca fez nada parecido. Quando a luz atinge o chip, ela interage com esses meta-átomos, e ajustando seu tamanho, forma e espaçamento, a equipe controla como o material responde à luz. O resultado? Manipulação de luz nunca antes alcançada à temperatura ambiente.

Riley B. Dawkins, que acabou de terminar seu doutorado e está indo para o NIST como Pesquisador de Pós-Doutorado do NRC, explica: "Ao projetar a distribuição de meta-átomos no metacristal plasmônico, podemos ditar sistematicamente quais estatísticas quânticas são permitidas passar pela estrutura. Então, nosso cristal essencialmente age como um filtro estatístico em estados quânticos."

O metacristal não fica apenas parado; ele classifica diferentes estados quânticos da luz. Luz solar, luz de laser e luz fluorescente têm comportamentos de fótons diferentes, e distingui-los geralmente requer equipamentos complexos, detectores criogênicos e milhões de medições. Este cristal faz isso sozinho, direcionando diferentes estados quânticos por rotas separadas enquanto preserva suas estatísticas - um truque chamado 'transporte robusto'. Como Magaña-Loaiza coloca: "Esses estados quânticos carregam informação. Nosso cristal pode distingui-los e movê-los de um ponto a outro de forma robusta sem precisar de resfriamento criogênico. É isso que abre a porta para tecnologias quânticas práticas."

Este é o primeiro material quântico à temperatura ambiente inerentemente sensível à coerência quântica em sistemas de muitos corpos - algo importante, já que manter a coerência é notoriamente difícil.

A equipe até cunhou um novo termo: 'metacristal plasmônico de estatística quântica'. Eles também descobriram 'bandas de estatística quântica', que funcionam como as estruturas de banda eletrônica em semicondutores, mas governam os estados quânticos da luz. Ao rearranjar os meta-átomos, os pesquisadores podem escolher quais estados passam inalterados. Este projeto pode gerar toda uma família de materiais quânticos sem precisar encontrá-los na natureza.

A operação à temperatura ambiente torna isso relevante além dos laboratórios: computadores quânticos podem encolher sem sistemas de resfriamento gigantes, redes de comunicação quântica podem se tornar mais práticas e sensores podem ficar mais sensíveis. Além disso, o material pode impulsionar células solares, guiando a luz por caminhos estáveis, prevenindo a perda de energia como calor. A equipe planeja testar isso a seguir, integrando o metacristal em células solares.

O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Divisão de M