Физики впервые создали квантовый материал, работающий при комнатной температуре

Квантовые материалы обещают радикально изменить наш технологический ландшафт: от высокопроизводительных вычислительных систем до сверхзащищенных каналов связи и прорывных энергетических решений. Однако долгое время перед учеными стоял труднопреодолимый барьер.

Большинство известных квантовых сред сохраняют свои уникальные свойства исключительно при температурах, приближающихся к абсолютному нулю. В обычных условиях тепловое воздействие провоцирует хаотичные колебания атомов, которые разрушают хрупкие квантовые состояния. Для подавления этих помех требуются сложные и громоздкие криогенные установки, что ограничивает использование квантовых технологий пределами специализированных лабораторий.

В недавней публикации в журнале «Nature» физики из Университета штата Луизиана (LSU) представили первый квантовый материал, способный стабильно работать при комнатной температуре. Разработка, которой руководил доцент Омар С. Маганья-Лоайса, позволяет эффективно различать и транслировать квантовые состояния света, решая ключевую проблему индустрии. Предложенный концептуальный подход к проектированию открывает двери для создания инновационного класса материалов, востребованных в квантовых вычислениях, сенсорике и энергетике.

Чэнлун Ю, соавтор проекта и профессор Китайского университета электронных наук и технологий, подчеркнул важность того, что теоретические прогнозы блестяще подтвердились на практике.

«Осознание того, что нам удалось сконструировать материал с возможностями, выходящими за рамки естественных свойств природы, стало одним из самых ярких моментов. Результаты эксперимента в точности совпали с нашими теоретическими расчетами», — отмечает Ю.

Инженерный подход к квантовой материи

Вместо поиска подходящих структур в природе, команда предпочла синтезировать материал с заданными характеристиками.

Технологический процесс включал нанесение тончайшего слоя золота на стеклянную подложку. Используя сфокусированные ионные пучки, исследователи сформировали сотни микроскопических щелей — так называемых «метаатомов». Объединенные в упорядоченную структуру, они образовали искусственный кристалл, чей масштаб измеряется толщиной, меньшей диаметра человеческого волоса.

При прохождении света через чип фотоны взаимодействуют с метаатомами. Точная калибровка геометрии и расположения этих элементов позволяет управлять светом на квантовом уровне в условиях отсутствия глубокого охлаждения.

«Регулируя топологию метаатомов внутри плазмонного метакристалла, мы получаем возможность фильтровать квантовые состояния света. Наше устройство функционирует как своего рода статистический селектор», — поясняет Райли Б. Докинс, научный сотрудник NIST.

Тонкая настройка квантовых состояний

Квантовая природа света полна нюансов: хотя фотоны составляют и солнечный свет, и лазерное излучение, их внутренние характеристики различаются. Традиционные методы анализа таких отличий требовали громоздкой аппаратуры.

Созданный метакристалл берет эту задачу на себя. Он анализирует квантовые параметры светового потока и распределяет их по различным траекториям внутри кристалла, сохраняя при этом целостность квантовой информации. Это обеспечивает надежный «квантовый транспорт», который критически важен для практического внедрения подобных технологий.

Физики классифицируют данное явление как сохранение квантовой когерентности в многочастичных системах при комнатной температуре, что само по себе является значимым научным достижением.

Перспективы новой технологии

Разработанный объект получил название «квантово-статистический плазмонный метакристалл». Ученые установили, что он обладает зональной структурой, напоминающей энергетические зоны в полупроводниках, что позволяет целенаправленно настраивать прохождение квантовых состояний.

Потенциал открытия огромен: квантовые компьютеры смогут работать без массивных систем охлаждения, а сети квантовой связи станут компактнее и доступнее. Более того, технология обещает прорыв в энергетике: направляя солнечный свет по более эффективным путям, метакристаллы могут свести к минимуму потери энергии, превращаемой в паразитное тепло, и существенно повысить КПД фотоэлементов.

Следующим этапом исследований станет интеграция метакристаллов в солнечные панели, что может стать началом новой эры в возобновляемой энергетике.

Источник