Физики создали первый квантовый материал, работающий при комнатной температуре

Квантовые материалы могут преобразить самые разные технологии — от мощных компьютеров и сверхзащищенных систем связи до передовых энергетических систем. Но всегда было одно серьезное препятствие.

Почти все известные квантовые материалы проявляют свои удивительные свойства только при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. При комнатной температуре тепло создает постоянные атомные колебания, которые подавляют хрупкое квантовое поведение, которое ученые пытаются использовать. Чтобы сдерживать эти колебания, требуются громоздкие криогенные холодильные установки, что делает квантовые материалы мощным лабораторным инструментом, но затрудняет их внедрение в практические технологии.

В исследовании, опубликованном в Nature, физики из Университета штата Луизиана разработали первый квантовый материал, способный работать при комнатной температуре и различать и передавать различные квантовые состояния света, тем самым преодолев одну из самых сложных задач в области исследования квантовых материалов. Работа, проведенная под руководством доцента кафедры физики Омара С. Маганья-Лоайсы, устанавливает общий принцип проектирования совершенно нового класса квантовых материалов, открывая новые возможности для квантовых вычислений, защищенной связи, сенсорных технологий и передовых энергетических систем.

Вместо того чтобы искать в природе материал с нужными квантовыми свойствами, команда спроектировала и создала его.

Для этого исследователи нанесли тонкую пленку золота на стеклянную пластину. С помощью сфокусированных ионных пучков они вырезали в золоте сотни микроскопических щелей, каждая из которых действует как искусственный атом, или метаатом. Вместе эти метаатомы образуют кристалл, не имеющий аналогов в природе, который тоньше человеческого волоса.

Когда свет попадает на чип, он проходит по золотой поверхности и взаимодействует с этими метаатомами. Тщательно контролируя их размер, форму и расстояние между ними, команда создала материал, способный управлять светом так, как это невозможно при комнатной температуре.

«Регулируя распределение метаатомов в плазмонном метакристалле, мы можем целенаправленно определять, какие квантовые статистические данные будут проходить через структуру». Таким образом, наш кристалл по сути действует как статистический фильтр для квантовых состояний», — сказал Райли Б. Докинз из Национального института стандартов и технологий (NIST) в качестве постдока.

Но прорыв заключается не только в создании нового материала. Он заключается в том, что этот материал делает возможным.

Не весь свет ведет себя одинаково.

Солнечный свет, лазерный свет и флуоресцентный свет содержат фотоны, но эти фотоны колеблются и взаимодействуют по-разному. Эти едва заметные различия определяют поведение света на квантовом уровне, однако для их выявления традиционно требовались сложные приборы, криогенные детекторы и миллионы измерений.

Метакристалл, созданный командой ученых, делает это автоматически. Вместо того чтобы реагировать только на цвет или интенсивность световой волны, он различает едва заметные квантовые различия между входящим светом и направляет каждое квантовое состояние по отдельному пути через кристалл.

Не менее важно и то, что эти пути позволяют определенным квантовым состояниям распространяться по материалу с меньшими изменениями их статистических характеристик — уникальных свойств, определяющих каждое квантовое состояние.

Физики называют такое коллективное поведение квантовой когерентностью, и ее сохранение — одна из главных задач квантовой информатики. В статье в журнале Nature исследователи называют свой метакристалл первым квантовым материалом при комнатной температуре, изначально чувствительным к квантовой когерентности многочастичных систем.

Этот прорыв настолько кардинально отличался от существующих материалов, что исследователям пришлось придумать для него новое название: квантовый статистический плазмонный метакристалл.

Исследователи также обнаружили, что в метакристалле естественным образом формируются так называемые квантово-статистические полосы, аналогичные электронным зонным структурам, которые определяют электропроводность полупроводников.

Регулируя расположение метаатомов, можно определить, какие квантовые состояния проходят через материал без изменений, а какие статистически изменяются в процессе. Вместо того чтобы полагаться на встречающиеся в природе материалы с желаемыми свойствами, ученые теперь могут целенаправленно создавать материалы, которые предсказуемым образом направляют квантовые состояния.

Поскольку материал работает при комнатной температуре, его потенциальное применение выходит далеко за рамки фундаментальной физики.

Будущие квантовые компьютеры смогут использовать аналогичные материалы для передачи деликатной квантовой информации, не полагаясь на громоздкие криогенные холодильные установки. Те же принципы могут лечь в основу более практичных сетей квантовой связи, сверхчувствительных датчиков и других перспективных квантовых технологий.

Способность сохранять свет, проходящий через материал, с меньшими потерями может также принести пользу возобновляемым источникам энергии.

В современных солнечных батареях часть поступающего солнечного света задерживается в материале и в конечном итоге преобразуется в тепло, а не в электричество, что снижает количество получаемой энергии. Направляя свет по более устойчивым траекториям, метакристалл может способствовать тому, чтобы большая часть этой энергии проходила через материал, а не терялась.

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: russianelectronics.ru

Комментарии: