Квантовые материалы были самыми многообещающими и одновременно самыми раздражающими гостями в мире технологий: они появляются с невероятными способностями, но только если заморозить их до почти абсолютного нуля. При комнатной температуре тепло заставляет атомы вибрировать, как толпа под воздействием кофеина, разрушая тонкие квантовые эффекты, которые все пытаются контролировать. Это означало необходимость в массивных криогенных холодильных системах — дорогих, громоздких и примерно таких же практичных для повседневных устройств, как персональный снегоочиститель.
Но теперь физики из Университета штата Луизиана (LSU) ворвались на вечеринку с первым в мире квантовым материалом, работающим при комнатной температуре, который может идентифицировать и транспортировать различные квантовые состояния света. Прорыв, опубликованный в Nature, решает самую большую проблему в исследованиях квантовых материалов: потребность в экстремальном холоде.
Под руководством доцента Омара С. Маганья-Лоаисы команда не просто наткнулась на новый материал; они создали его с нуля. Ченглонг Ю, бывший постдок, ныне работающий в Университете электронных наук и технологий Китая, был в восторге, когда странная конструкция сработала точно так, как предсказывали: «Одна из самых захватывающих частей этого проекта — осознание того, что мы можем создать материал, который делает то, что природа не предоставляет сама по себе. Видеть, как он работает точно так, как мы предсказывали, было невероятно полезно».
Вот рецепт: возьмите стеклянный чип, нанесите на него тонкий слой золота и используйте сфокусированные ионные пучки, чтобы вырезать сотни крошечных щелей. Каждая щель действует как искусственный атом, или «метаатом», и вместе они образуют кристалл тоньше человеческого волоса — природа никогда не создавала ничего подобного. Когда свет попадает на чип, он взаимодействует с этими метаатомами, и, изменяя их размер, форму и расстояние между ними, команда контролирует, как материал реагирует на свет. Результат? Манипуляция светом, ранее недостижимая при комнатной температуре.
Райли Б. Докинс, который только что защитил докторскую диссертацию и направляется в NIST в качестве постдокторанта NRC, объясняет: «Инженерия распределения метаатомов в плазмонном метакристалле позволяет нам систематически определять, какие квантовые статистики могут проходить через структуру. Таким образом, наш кристалл по сути действует как статистический фильтр для квантовых состояний».
Метакристалл не просто лежит; он сортирует различные квантовые состояния света. Солнечный свет, лазерный свет и флуоресцентный свет имеют разное поведение фотонов, и их различение обычно требует сложного оборудования, криогенных детекторов и миллионов измерений. Этот кристалл делает это сам по себе, направляя различные квантовые состояния по отдельным маршрутам, сохраняя их статистику — трюк, называемый «устойчивым транспортом». Как выразился Маганья-Лоаиса: «Эти квантовые состояния несут информацию. Наш кристалл может различать их и перемещать из одной точки в другую устойчивым образом без необходимости криогенного охлаждения. Это открывает дверь для практических квантовых технологий».
Это первый квантовый материал при комнатной температуре, который по своей природе чувствителен к квантовой когерентности в многочастичных системах — большое дело, поскольку поддержание когерентности, как известно, сложно.
Команда даже ввела новый термин: «квантовый статистический плазмонный метакристалл». Они также обнаружили «квантовые статистические зоны», которые работают как электронные зонные структуры в полупроводниках, но управляют квантовыми состояниями света. Переставляя метаатомы, исследователи могут выбирать, какие состояния проходят без изменений. Этот проект может породить целое семейство квантовых материалов без необходимости искать их в природе.
Работа при комнатной температуре делает это актуальным за пределами лабораторий: квантовые компьютеры могут уменьшиться без гигантских систем охлаждения, квантовые коммуникационные сети могут стать более практичными, а датчики — более чувствительными. Кроме того, материал может повысить эффективность солнечных элементов, направляя свет по стабильным путям, предотвращая потери энергии в виде тепла. Команда планирует проверить это в следующем, интегрировав метакристалл в солнечные элементы.
Работа финансировалась Министерством энергетики США, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом M