Крошечный золотой кристалл может вывести квантовые технологии из глубокой заморозки

Квантовые материалы способны изменить такие области, как высокопроизводительные вычисления, безопасная связь, чувствительное детектирование и производство энергии. Однако одно постоянное ограничение мешало большинству из них стать практическими технологиями.

Почти все открытые на сегодняшний день квантовые материалы работают только при температурах, близких к абсолютному нулю. При обычных температурах тепло вызывает постоянные вибрации атомов. Эти вибрации нарушают хрупкие квантовые эффекты, которыми исследователи хотят управлять.

Подавление этого движения обычно требует громоздких криогенных холодильных систем. В результате, хотя квантовые материалы могут выполнять замечательные задачи в тщательно контролируемых лабораторных условиях, их трудно и дорого использовать в реальных устройствах.

Квантовый материал, работающий при комнатной температуре

Физики из Университета штата Луизиана (LSU) создали первый квантовый материал, работающий при комнатной температуре, способный идентифицировать и транспортировать различные квантовые состояния света. Это достижение, описанное в журнале Nature, устраняет один из самых значительных барьеров в исследованиях квантовых материалов.

Исследование возглавил доцент кафедры физики Омар С. Маганья-Лоайса. Помимо демонстрации одного нового материала, исследователи разработали более широкую стратегию проектирования, которая может быть использована для создания совершенно нового семейства квантовых материалов.

Такие материалы в конечном итоге могут стать основой для квантовых компьютеров, высокозащищенных систем связи, продвинутых датчиков и новых энергетических технологий.

Для Ченглона Ю, бывшего постдокторанта, а ныне профессора Университета науки и технологий электроники Китая, особенно удовлетворяющим моментом стало то, что необычная конструкция работала точно так, как предсказывала теория.

"Одной из самых захватывающих частей этого проекта стало осознание того, что мы можем создать материал, который делает то, что природа сама по себе не предоставляет. Видеть, как он работает точно так, как мы предсказывали, было невероятно приятно", - сказал Ю.

Создание искусственного квантового кристалла

Вместо того чтобы искать в природе вещество с необходимыми свойствами, команда LSU решила разработать его с нуля.

Исследователи начали с нанесения тонкого слоя золота на стеклянный чип. Затем они использовали сфокусированный ионный пучок для создания сотен чрезвычайно маленьких щелей в металле. Каждая щель функционирует как искусственный атом, или мета-атом.

Вместе эти мета-атомы создают кристалл, не похожий ни на что, найденное в природе. Готовая структура также тоньше человеческого волоса.

Когда свет попадает на чип, он движется по золотой поверхности и взаимодействует с разработанными мета-атомами. Точно регулируя размер, форму и расстояние между этими структурами, исследователи получили контроль над тем, как материал реагирует на свет.

В результате получилось манипулирование светом, которое никогда ранее не достигалось при комнатной температуре.

"Инженерно изменяя распределение мета-атомов в плазмонном метакристалле, мы можем систематически определять, какие квантовые статистики разрешены для прохождения через структуру. Таким образом, наш кристалл по существу действует как статистический фильтр для квантовых состояний", - сказал Райли Б. Доукинс, который недавно завершил обучение в аспирантуре и теперь присоединяется к Национальному институту стандартов и технологий (NIST) в качестве постдокторанта NRC.

Квантовая фотонная группа Маганья-Лоайсы в LSU провела все этапы исследования, включая первоначальную теорию, проектирование материалов, нанофабрикацию и экспериментальное тестирование.

Однако важность работы выходит за рамки создания необычного нового материала. Ее наибольшая ценность заключается в том, что метакристалл может делать.

Сортировка различных квантовых состояний света

Свет не всегда ведет себя одинаково.

Солнечный свет, лазерный свет и флуоресцентный свет состоят из фотонов. Однако фотоны в каждом типе света флуктуируют и взаимодействуют по-разному. Эти небольшие вариации влияют на поведение света на квантовом уровне.

До сих пор для выявления этих различий требовалось сложное оборудование, детекторы, охлажденные до чрезвычайно низких температур, и миллионы индивидуальных измерений.

Новый метакристалл выполняет процесс сортировки самостоятельно. Вместо того чтобы реагировать только на привычные свойства, такие как цвет или интенсивность, он обнаруживает тонкие квантовые различия во входящем свете.

Затем он направляет различные квантовые состояния по отдельным маршрутам через кристалл.

Эти маршруты также позволяют определенным квантовым состояниям перемещаться через материал, претерпевая меньше изменений в своей статистике. Эта статистика является определяющей характеристикой, отличающей одно квантовое состояние от другого.

"Мы называем это надежной транспортировкой", - сказал Маганья-Лоайса. "Эти квантовые состояния несут информацию. Наш кристалл может различать их и перемещать из одной точки в другую надежным способом, не требуя криогенного охлаждения. Именно это открывает двери для практических квантовых технологий".

Физики называют это общее квантовое поведение квантовой когерентностью. Поддержание когерентности является одной из самых сложных проблем в науке о квантовой информации, поскольку взаимодействия с окружающей средой могут быстро ее разрушить.

В исследовании Nature команда описывает метакристалл как первый квантовый материал, работающий при комнатной температуре, который изначально чувствителен к квантовой когерентности многочастичных систем.

Совершенно новый класс квантовых материалов

Материал настолько сильно отличается от обычных квантовых материалов, что исследователи придумали для него новый термин: квантовый статистический плазмонный метакристалл.

"Для меня это был не просто проект - это было коллективное усилие, построенное на идее создания чего-то совершенно нового в квантовых технологиях", - сказала Джаннатул Фердоус, аспирантка группы Маганья-Лоайсы. "Что сделало его по-настоящему захватывающим, так это то, что мы не только создавали новый класс квантовых материалов, работающих при комнатной температуре, но и разрабатывали теорию для понимания и контроля его поведения. Видеть, как эта идея стала экспериментальной реальностью, было невероятно приятно".

Команда также обнаружила, что метакристалл естественным образом производит структуры, которые они называют квантовыми статистическими полосами.

Эти полосы концептуально схожи с электронными зонными структурами, которые контролируют, как электричество проходит через полупроводники. Однако в новом материале полосы управляют движением и статистическим поведением квантовых состояний света.

Изменяя расположение мета-атомов, исследователи могут выбирать, какие квантовые состояния проходят через материал без изменений, а какие состояния претерпевают статистические изменения.

Этот уровень контроля представляет собой значительный сдвиг в том, как могут разрабатываться квантовые материалы. Ученым больше не нужно полностью полагаться на поиск природных веществ с полезными свойствами. Вместо этого они могут проектировать материалы, которые направляют квантовые состояния предсказуемым и целенаправленным образом.

Таким образом, результаты предоставляют общий план для создания многих будущих квантовых материалов, а не одно изолированное открытие.

Потенциальное применение в вычислениях и коммуникациях

Работа при комнатной температуре делает метакристалл актуальным для технологий, выходящих далеко за рамки фундаментальных физических исследований.

Подобные материалы однажды смогут переносить хрупкую квантовую информацию внутри квантовых компьютеров без необходимости использования огромных систем охлаждения. Удаление или уменьшение потребности в криогенном охлаждении может сделать квантовые устройства меньше, дешевле и проще в развертывании.

Те же принципы проектирования могут способствовать созданию более практичных квантовых сетей связи, высокочувствительных датчиков и других развивающихся квантовых технологий.

Возможное ускорение солнечной энергетики

Способность материала направлять свет с меньшими потерями может также иметь важное применение в возобновляемой энергетике.

Современные солнечные элементы не преобразуют весь падающий солнечный свет в электричество. Часть света задерживается внутри материала и в конечном итоге превращается в тепло, снижая количество полезной энергии, которую может произвести элемент.

Метакристалл, который направляет свет по более стабильным траекториям, может помочь предотвратить потерю части этой энергии. Больше падающего света может остаться доступным для преобразования в электричество.

Проверка этой возможности является следующей целью команды.

Исследователи планируют интегрировать метакристалл в солнечные элементы и определить, может ли он увеличить долю солнечного света, преобразуемого в полезную электроэнергию.

Успех покажет, как прорыв, возникший в результате фундаментальной квантовой физики, может напрямую привести к улучшениям в технологиях солнечной энергетики следующего поколения.