Учёные разработали квантовый материал, работающий при комнатной температуре без криогеники

Физики создали метакристалл, состоящий из золота и стекла, который управляет квантовыми состояниями фотонов и может стать основой для будущих квантовых вычислений, связи и сенсоров

Большинство известных квантовых материалов функционируют лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, что на протяжении долгого времени ограничивало их применение вне лабораторий. Учёные из Университета штата Луизиана (LSU) решили эту задачу, создав первый квантовый материал, способный различать и передавать различные квантовые состояния при комнатной температуре.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Команда, возглавляемая доцентом физики Омаром Маганья-Лоайсой (Omar S. Magana-Loaiza), разработала новый вид искусственного материала — квантовый статистический плазмонный метакристалл (quantum statistical plasmonic metacrystal). Его конструкция позволяет управлять квантовыми характеристиками света без использования сложных охладительных систем.

Как правило, квантовые эффекты трудно сохранять в обычных условиях из-за тепловых колебаний атомов. При повышении температуры эти колебания нарушают хрупкие квантовые состояния, что делает многие эксперименты с квантовыми материалами зависимыми от криогенных установок. Новый материал был создан не через поиск редкого природного вещества, а с помощью инженерного проектирования структуры с заранее заданными свойствами.

Для создания метакристалла исследователи нанесли тонкий слой золота на стеклянный чип, а затем, используя сфокусированный ионный пучок, сформировали в нём сотни микроскопических прорезей. Каждая такая структура выполняет функцию искусственного атома — метаатома. В совокупности они образуют искусственный кристалл, толщина которого 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 отрегулировать структуру так, чтобы она реагировала на различные квантовые характеристики света. Материал функционирует как «фильтр»: он пропускает одни квантовые состояния и модифицирует другие.

Главное преимущество разработки заключается в способности сохранять и передавать квантовые состояния света при комнатной температуре. По словам Маганья-Лоайсы, такие состояния могут быть использованы для передачи информации, а созданный кристалл способен различать их и перемещать внутри структуры без необходимости в охлаждении.

Исследователи также выявили, что метакристалл формирует уникальные «квантовые статистические зоны», которые напоминают энергетические зоны в полупроводниках. В обычных материалах такие свойства определяются естественной структурой вещества, тогда как новый подход позволяет проектировать материал так, чтобы заранее задавать, какие квантовые состояния смогут проходить через него без изменений.

Учёные предполагают, что этот принцип может положить начало созданию нового класса квантовых материалов. Потенциальные области применения включают квантовые компьютеры, системы защищённой связи и высокочувствительные сенсоры, где одной из главных задач остаётся сохранение квантовой информации в реальных условиях.

Следующим шагом команда планирует исследовать использование метакристалла в солнечных элементах. Исследователи стремятся выяснить, сможет ли структура направлять больше света внутри материала и уменьшить потери энергии, которая в современных солнечных панелях частично превращается в тепло, а не в электричество.