Большинство известных квантовых материалов функционируют исключительно при температурах, близких к абсолютному нулю, что на протяжении долгого времени ограничивало их практическое применение за пределами лабораторий. Исследователи из Университета штата Луизиана (LSU) успешно преодолели это ограничение, создав принципиально новый квантовый материал, способный эффективно различать и переносить различные квантовые состояния при обычной комнатной температуре.
Результаты научной работы были опубликованы в престижном журнале Nature. Команда специалистов под руководством доцента физики Омара Маганья-Лоайсы (Omar S. Magana-Loaiza) разработала инновационный искусственный материал — квантовый статистический плазмонный метакристалл (quantum statistical plasmonic metacrystal). Его уникальная структура позволяет гибко управлять квантовыми свойствами светового потока без применения громоздких и сложных систем охлаждения.
Как правило, квантовые эффекты крайне сложно поддерживать в стандартных условиях из-за постоянных тепловых колебаний атомов. С повышением температуры эти колебания разрушают хрупкие квантовые состояния, из-за чего большинство экспериментов до сих пор требовало использования криогенных установок. Представленный материал был создан не путем поиска редких природных элементов, а методом точного инженерного проектирования структуры с заранее заданными параметрами.
Команда протестировала квантовый плазмонный метакристалл при комнатной температуре, преодолев один из самых больших барьеров в исследованиях квантовых материалов: необходимость громоздкого криогенного охлаждения для сохранения квантовых свойств. Фото: Olivia Crowell
Для создания метакристалла ученые нанесли тончайший слой золота на стеклянную подложку, после чего применили технологию сфокусированного ионного пучка для формирования сотен микроскопических прорезей. Каждая отдельная структура выполняет функцию искусственного атома — метаатома. Объединяясь, они образуют искусственный кристалл, толщина которого значительно меньше диаметра человеческого волоса.
При падении света на поверхность материала он начинает взаимодействовать с упорядоченными метаатомами. Варьируя их геометрические размеры, форму и расстояние друг от друга, ученые смогли настроить структуру таким образом, чтобы она избирательно реагировала на различные квантовые характеристики света. Разработка работает по принципу селективного фильтра, который пропускает определенные квантовые состояния и трансформирует остальные.
Ключевое достоинство новой разработки заключается в способности стабильно сохранять и переносить квантовые состояния света в условиях комнатной температуры. По словам Омара Маганья-Лоайсы, такие состояния могут успешно применяться для передачи данных, а созданный кристалл способен эффективно различать их и перемещать внутри своей структуры без потребности в специальном охлаждении.
В ходе исследований физики также зафиксировали, что метакристалл формирует уникальные «квантовые статистические зоны», функционально схожие с энергетическими зонами в полупроводниках. Если в традиционных материалах подобные свойства диктуются исключительно природной структурой вещества, то предложенный подход позволяет проектировать материал с возможностью заранее программировать прохождение определенных квантовых состояний без потерь и изменений.
Авторы разработки уверены, что данный принцип послужит надежным фундаментом для создания целого класса передовых квантовых материалов. Потенциальные сферы применения охватывают разработку квантовых компьютеров, систем защищенной связи и высокоточных сенсоров, где проблема сохранения квантовой информации в реальных условиях по-прежнему стоит наиболее остро.
На следующем этапе исследователи намерены протестировать работу метакристалла в составе солнечных элементов. Ученые планируют выяснить, способна ли разработанная структура оптимизировать распределение света внутри материала и минимизировать потери энергии, которая в традиционных солнечных панелях зачастую рассеивается в виде тепла вместо выработки электричества.
