量子材料一直是科技界最有前途却又最令人沮丧的客人：它们展现出惊人的能力，但前提是你得把它们冷冻到接近绝对零度。在室温下，热量会使原子像喝了咖啡因的人群一样振动，破坏人们试图控制的微妙量子效应。这意味着需要庞大的低温制冷系统——昂贵、笨重，对于日常设备来说就像个人扫雪机一样不切实际。

但现在，路易斯安那州立大学的物理学家们闯入了这场派对，带来了首个能在室温下识别和传输不同量子态光的量子材料。这项发表在《自然》杂志上的突破，解决了量子材料研究中最大的障碍：对极寒的需求。

由副教授奥马尔·S·马加尼亚-洛艾萨领导的团队并非偶然发现了新材料，而是从头开始设计。前博士后、现就职于中国电子科技大学的尤成龙对奇特的设计完全按预期工作感到兴奋：“这个项目最激动人心的部分之一是意识到我们可以构建一种自然界无法提供的东西。看到它完全按我们预测的方式工作，真是令人难以置信的满足。”

以下是配方：取一块玻璃芯片，在上面镀一层薄薄的金，然后用聚焦离子束雕刻出数百个微小狭缝。每个狭缝就像一个“人造原子”或“超原子”，它们共同形成比头发丝还薄的晶体——自然界从未有过这样的东西。当光照射到芯片上时，它会与这些超原子相互作用，通过调整它们的大小、形状和间距，团队可以控制材料对光的响应。结果呢？在室温下实现了前所未有的光操控。

刚刚完成博士学业、即将前往美国国家标准与技术研究院担任NRC博士后研究助理的莱利·B·道金斯解释说：“通过设计等离激元超晶体中超原子的分布，我们可以系统地决定哪些量子统计量允许通过结构。所以，我们的晶体本质上充当了量子态的统计滤波器。”

这种超晶体不只是被动存在，它能区分不同的量子态光。阳光、激光和荧光具有不同的光子行为，区分它们通常需要复杂的设备、低温探测器和数百万次测量。而这种晶体能独立完成，将不同的量子态沿不同路径引导，同时保持它们的统计特性——这种技巧被称为“鲁棒传输”。正如马加尼亚-洛艾萨所说：“这些量子态携带信息。我们的晶体可以区分它们，并以鲁棒的方式将它们从一点移动到另一点，无需低温冷却。这为实用量子技术打开了大门。”

这是首个在室温下对多体系统中的量子相干性天然敏感的量子材料——这意义重大，因为保持相干性众所周知地困难。

团队甚至创造了一个新术语：“量子统计等离激元超晶体”。他们还发现了“量子统计带”，它们类似于半导体中的电子带结构，但控制的是光的量子态。通过重新排列超原子，研究人员可以选择哪些态能不变地通过。这一设计蓝图可能催生出一整个量子材料家族，而无需在自然界中寻找。

室温操作使这项技术超越了实验室：量子计算机可以缩小，无需巨大的冷却系统；量子通信网络可以变得更实用；传感器可以更灵敏。此外，这种材料可能通过引导光沿稳定路径传输来增强太阳能电池，防止能量以热的形式损失。团队计划下一步将超晶体集成到太阳能电池中进行测试。

这项工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持。