Kvantmaterial har varit techvärldens mest lovande och samtidigt mest frustrerande gäster: de dyker upp med otroliga förmågor, men bara om du fryser dem till nära absoluta nollpunkten. Vid rumstemperatur får värmen atomerna att vibrera som en koffeinfylld publik, vilket förstör de ömtåliga kvanteffekterna som alla försöker kontrollera. Detta har inneburit massiva kryogena kylsystem – dyra, skrymmande och ungefär lika praktiska för vardagliga enheter som en personlig snöplog.

Men nu har fysiker vid LSU kraschat festen med det första rumstempererade kvantmaterialet som kan identifiera och transportera distinkta kvanttillstånd av ljus. Genombrottet, publicerat i Nature, tar itu med det största hindret inom kvantmaterialforskning: behovet av extrem kyla.

Under ledning av docent Omar S. Magaña-Loaiza byggde teamet inte bara på ett nytt material; de konstruerade det från grunden. Chenglong You, en tidigare postdoktor nu vid University of Electronic Science and Technology of China, var överförtjust när den märkliga designen fungerade precis som förutspått: "En av de mest spännande delarna av detta projekt var att inse att vi kunde bygga ett material som gör något som naturen inte tillhandahåller på egen hand. Att se det fungera exakt som vi förutspådde var otroligt givande."

Här är receptet: ta ett glasschip, lägg ett tunt lager guld på det, och använd fokuserade jonstrålar för att skära hundratals små slitsar. Varje slits fungerar som en artificiell atom, eller 'meta-atom', och tillsammans bildar de en kristall tunnare än ett hårstrå – naturen har aldrig gjort något liknande. När ljus träffar chipet interagerar det med dessa meta-atomer, och genom att justera deras storlek, form och avstånd kontrollerar teamet hur materialet svarar på ljus. Resultatet? Ljuskontroll som aldrig tidigare uppnåtts vid rumstemperatur.

Riley B. Dawkins, som precis avslutat sin doktorsexamen och är på väg till NIST som NRC-postdoktor, förklarar: "Genom att konstruera fördelningen av meta-atomer i den plasmoniska metakristallen kan vi systematiskt diktera vilka kvantstatistik som tillåts passera genom strukturen. Så vår kristall fungerar i huvudsak som ett statistiskt filter på kvanttillstånd."

Metakristallen sitter inte bara där; den sorterar olika kvanttillstånd av ljus. Solljus, laserljus och fluorescerande ljus har alla olika fotons beteenden, och att skilja dem åt kräver vanligtvis komplex utrustning, kryogena detektorer och miljontals mätningar. Denna kristall gör det på egen hand, genom att dirigera olika kvanttillstånd längs separata vägar medan den bevarar deras statistik – ett trick som kallas 'robust transport'. Som Magaña-Loaiza uttrycker det: "Dessa kvanttillstånd bär information. Vår kristall kan skilja dem åt och flytta dem från en punkt till en annan på ett robust sätt utan att kräva kryogen kylning. Det är det som öppnar dörren till praktiska kvantteknologier."

Detta är det första rumstempererade kvantmaterialet som är inneboende känsligt för kvantkoherens i mångkroppssystem – en stor sak, eftersom att upprätthålla koherens är notoriskt svårt.

Teamet myntade till och med en ny term: 'kvantstatistisk plasmonisk metakristall'. De upptäckte också 'kvantstatistiska band', som fungerar som de elektroniska bandstrukturerna i halvledare men styr ljusets kvanttillstånd. Genom att omarrangera meta-atomer kan forskare välja vilka tillstånd som passerar oförändrade. Denna designritning kan ge upphov till en hel familj av kvantmaterial utan att behöva hitta dem i naturen.

Rumstemperaturdrift gör detta relevant bortom laboratorier: kvantdatorer kan krympa utan gigantiska kylsystem, kvantkommunikationsnätverk kan bli mer praktiska, och sensorer kan bli känsligare. Dessutom kan materialet förbättra solceller genom att leda ljus längs stabila vägar, vilket förhindrar energiförlust som värme. Teamet planerar att testa det härnäst genom att integrera metakristallen i solceller.

Arbetet finansierades av U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, Division of M