Materialele cuantice au fost cei mai promițători și, în același timp, cei mai frustranți oaspeți din lumea tehnologiei: apar cu abilități incredibile, dar numai dacă le îngheți la aproape zero absolut. La temperatura camerei, căldura face atomii să vibreze ca o mulțime drogată cu cofeină, stricând delicatele efecte cuantice pe care toată lumea încearcă să le controleze. Aceasta a însemnat sisteme masive de refrigerare criogenică - scumpe, voluminoase și la fel de practice pentru dispozitivele de zi cu zi ca un plug personal de zăpadă.
Dar acum, fizicienii de la LSU au intrat cu forța în petrecere cu primul material cuantic la temperatura camerei care poate identifica și transporta stări distincte ale luminii cuantice. Descoperirea, publicată în Nature, abordează cel mai mare obstacol în cercetarea materialelor cuantice: nevoia de frig extrem.
Conduși de profesorul asociat Omar S. Magaña-Loaiza, echipa nu doar că a dat peste un material nou; l-au proiectat de la zero. Chenglong You, fost postdoc acum la Universitatea de Știință și Tehnologie Electronică din China, a fost încântat când designul ciudat a funcționat exact cum a fost prezis: „Una dintre cele mai interesante părți ale acestui proiect a fost realizarea că am putea construi un material care face ceva ce natura nu oferă de la sine. Să-l vezi funcționând exact cum am prezis a fost incredibil de satisfăcător.”
Iată rețeta: ia un cip de sticlă, pune un strat subțire de aur pe el și folosește fascicule de ioni focalizați pentru a sculpta sute de fante minuscule. Fiecare fantă acționează ca un atom artificial, sau „meta-atom”, și împreună formează un cristal mai subțire decât un fir de păr uman - natura nu a făcut niciodată așa ceva. Când lumina lovește cipul, interacționează cu acești meta-atomi, iar prin ajustarea dimensiunii, formei și spațierii lor, echipa controlează modul în care materialul răspunde la lumină. Rezultatul? Manipularea luminii niciodată realizată la temperatura camerei.
Riley B. Dawkins, care tocmai și-a terminat doctoratul și se îndreaptă către NIST ca cercetător postdoctoral NRC, explică: „Prin inginerizarea distribuției meta-atomilor în metacristalul plasmonic, putem dicta sistematic care statistici cuantice sunt permise să treacă prin structură. Deci, cristalul nostru acționează esențial ca un filtru statistic asupra stărilor cuantice.”
Metacristalul nu doar stă acolo; sortează diferite stări cuantice ale luminii. Lumina soarelui, lumina laser și lumina fluorescentă au toate comportamente diferite ale fotonilor, iar distingerea lor necesită de obicei echipamente complexe, detectoare criogenice și milioane de măsurători. Acest cristal o face singur, direcționând diferite stări cuantice pe rute separate, păstrându-le statisticile - un truc numit „transport robust”. După cum spune Magaña-Loaiza: „Aceste stări cuantice poartă informație. Cristalul nostru le poate distinge și le poate muta dintr-un punct în altul într-un mod robust, fără a necesita răcire criogenică. Asta deschide ușa către tehnologii cuantice practice.”
Acesta este primul material cuantic la temperatura camerei sensibil în mod inerent la coerența cuantică în sisteme cu multe corpuri - o mare realizare, deoarece menținerea coerenței este notoriu de dificilă.
Echipa a inventat chiar un termen nou: „metacristal plasmonic statistic cuantic”. De asemenea, au descoperit „benzi statistice cuantice”, care funcționează ca structurile de benzi electronice din semiconductori, dar guvernează stările cuantice ale luminii. Prin rearanjarea meta-atomilor, cercetătorii pot alege care stări trec neschimbate. Acest plan de design ar putea genera o întreagă familie de materiale cuantice fără a fi nevoie să le găsim în natură.
Operarea la temperatura camerei face acest lucru relevant dincolo de laboratoare: computerele cuantice ar putea fi reduse fără sisteme de răcire uriașe, rețelele de comunicare cuantică ar putea deveni mai practice, iar senzorii ar putea deveni mai sensibili. În plus, materialul ar putea îmbunătăți celulele solare prin ghidarea luminii pe căi stabile, prevenind pierderea de energie sub formă de căldură. Echipa plănuiește să testeze asta în continuare prin integrarea metacristalului în celule solare.
Lucrarea a fost finanțată de Departamentul de Energie al SUA, Oficiul de Științe de Bază pentru Energie, Divizia de M