Учёные создали квантовый материал, работающий при комнатной температуре: он различает состояния без криогеники
Большинство известных квантовых материалов работают только при температурах, близких к абсолютному нулю, что долгое время ограничивало их применение за пределами лабораторий. Учёные из Университета штата Луизиана решили эту проблему, (LSU) создав первый квантовый материал, способный различать и переносить разные квантовые состояния при комнатной температуре.
Работа опубликована в журнале Nature. Команда под руководством доцента физики Омара Маганья-Лоайсы (Omar S. Magana-Loaiza) разработала новый тип искусственного материала — квантовый статистический плазмонный метакристалл (quantum statistical plasmonic metacrystal). Его структура позволяет управлять квантовыми свойствами света без использования сложных систем охлаждения.
Обычно квантовые эффекты трудно сохранять в обычных условиях из-за тепловых колебаний атомов. При повышении температуры эти колебания нарушают хрупкие квантовые состояния, поэтому многие эксперименты с квантовыми материалами требуют криогенных установок. Новый материал создавался не поиском редкого природного вещества, а инженерным проектированием структуры с заранее заданными свойствами.
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 CrowellДля создания метакристалла исследователи нанесли тонкий слой золота на стеклянный чип, а затем с помощью сфокусированного ионного пучка сформировали в нём сотни микроскопических прорезей. Каждая такая структура выполняет роль искусственного атома — метаатома. Вместе они образуют искусственный кристалл толщиной меньше человеческого волоса.
Когда свет попадает на поверхность материала, он взаимодействует с расположенными в определённом порядке метаатомами. Меняя их размер, форму и расстояние между ними, учёные смогли настроить структуру так, чтобы она реагировала на разные квантовые характеристики света. Материал действует как «фильтр»: он пропускает одни квантовые состояния и изменяет другие.
Главное отличие разработки заключается в способности сохранять и переносить квантовые состояния света при комнатной температуре. По словам Маганья-Лоайсы, такие состояния могут использоваться для передачи информации, а созданный кристалл способен различать их и перемещать внутри структуры без необходимости охлаждения.
Исследователи также обнаружили, что метакристалл формирует особые «квантовые статистические зоны», которые напоминают энергетические зоны в полупроводниках. В обычных материалах такие свойства определяются природной структурой вещества, а новый подход позволяет проектировать материал так, чтобы он заранее задавал, какие квантовые состояния смогут проходить через него без изменений.
Учёные считают, что этот принцип может стать основой для создания нового класса квантовых материалов. Потенциальные направления применения включают квантовые компьютеры, системы защищённой связи и высокочувствительные сенсоры, где одной из главных проблем остаётся сохранение квантовой информации в реальных условиях.
Следующим этапом команда планирует проверить использование метакристалла в солнечных элементах. Исследователи хотят выяснить, сможет ли структура направлять больше света внутри материала и уменьшить потери энергии, которая в современных солнечных панелях частично превращается в тепло вместо электричества.
© iXBT
