Квантові матеріали можуть перетворити технології від потужних комп'ютерів та надзахищених комунікацій до передових енергетичних систем. Але завжди існувала одна серйозна перешкода.
Майже всі відомі квантові матеріали виявляють свої чудові властивості лише за охолодження до температур, близьких до абсолютного нуля. За кімнатної температури тепло створює постійні атомні коливання, які пригнічують тонку квантову поведінку, яку вчені намагаються контролювати. Для контролю цих коливань потрібні громіздкі кріогенні системи охолодження, що робить квантові матеріали потужними інструментами у лабораторії, але складними для впровадження у практичні технології.
У дослідженні, опублікованому в журналі Nature, фізики з Університету штату Луїзіана розробили перший квантовий матеріал, здатний при кімнатній температурі розрізняти та переносити різні квантові стани світла, подолавши одну з найбільших проблем у дослідженнях квантових матеріалів. Робота, яку очолює доцент фізики Омар С. Маганья-Лоайса, встановлює загальний принцип проєктування для створення абсолютно нового класу квантових матеріалів, відкриваючи нові можливості для квантових обчислень, захищених комунікацій, сенсорних технологій та передових енергетичних систем.
Для Ченлуна Ю, колишнього постдокторанта, а нині професора Китайського університету електронної науки й техніки, одним із найприємніших моментів стало те, коли нетрадиційний підхід команди спрацював точно так, як передбачала теорія.
"Однією із найбільш захопливих частин цього проєкту було усвідомлення того, що ми можемо створити матеріал, який робить те, чого природа сама собою не забезпечує. Бачити, як він працює саме так, як ми пророкували, було неймовірно приємно", - сказав Ю.
Створення квантового матеріалу з нуля
Замість шукати природний матеріал з відповідними квантовими властивостями, команда розробила та створила його.
Для створення дослідники нанесли тонку плівку золота на скляний чип. Використовуючи сфокусовані іонні пучки, вони вирізали сотні мікроскопічних щілин у золоті, кожна з яких діяла як штучний атом або метаатом. Разом ці метаатоми утворюють кристал, що не має природного аналога, але при цьому тонше людського волосся.
Коли світло потрапляє в чип, воно проходить золотою поверхнею і взаємодіє з цими метаатомами. Ретельно контролюючи їх розмір, форму та відстань між ними, команда розробила матеріал, що дозволяє маніпулювати світлом способами, що раніше були недосяжні при кімнатній температурі.
Але прорив виходить далеко за межі створення нового матеріалу. Він у тому, що це матеріал уможливлює.
Розрізнення квантових станів
Не весь світ поводиться однаково.
Сонячне світло, лазерне світло та світло люмінесцентних ламп містять фотони, але ці фотони флуктують і взаємодіють по-різному. Ці тонкі відмінності визначають поведінку світла на квантовому рівні, однак для їх ідентифікації традиційно були потрібні складні прилади, кріогенні детектори та мільйони вимірювань.
Метакристал, розроблений командою, робить це автоматично. Замість того щоб реагувати тільки на колір або інтенсивність світлової хвилі, він розрізняє тонкі квантові відмінності між світлом, що падає, і спрямовує кожен квантовий стан по різному шляху всередині кристала.
Що не менш важливо, ці шляхи дозволяють певним квантовим станам поширюватися через матеріал із меншими змінами їхньої статистики — унікальних характеристик, що визначають кожен квантовий стан.
"Ми називаємо це надійним перенесенням", - сказала Маганья-Лоайса. "Ці квантові стани несуть інформацію. Наш кристал може розрізняти їх і переміщати з однієї точки до іншої надійним чином, не вимагаючи кріогенного охолодження. Саме це відчиняє двері для практичних квантових технологій."
Фізики описують цю колективну поведінку як квантову когерентність, та її збереження є одним із головних завдань у квантовій інформаційній науці. У статті в журналі Nature дослідники описують свій метакристал як перший квантовий матеріал, що працює при кімнатній температурі та має внутрішню чутливість до квантової когерентності багаточасткових систем.
Новий клас квантових матеріалів
Цей прорив був настільки принципово відмінним від наявних матеріалів, що дослідникам довелося придумати йому нову назву: квантовий статистичний плазмонний метакристал.
"Для мене це був не просто проєкт - це була колективна робота, побудована навколо ідеї створення чогось нового у квантових технологіях", - сказала Джаннатул Фердоус, аспірантка в групі Маганья-Лоайси. "Що справді захоплювало, то це те, що ми не лише створювали новий клас квантових матеріалів, що працюють при кімнатній температурі, а й розробляли теорію для розуміння та управління їхньою поведінкою. Бачити, як ця ідея стає експериментальною реальністю, було неймовірно приємно."
Дослідники також виявили, що метакристал природно утворює так звані квантові статистичні смуги, аналогічні електронним зонним структурам, які визначають провідність електрики в напівпровідниках.
Змінюючи розташування метаатомів, вони можуть визначити, які квантові стани можуть переміщатися через матеріал без змін, а які статистично змінюються в процесі. Замість покладатися на природні матеріали з бажаними властивостями, вчені тепер можуть цілеспрямовано створювати матеріали, які направляють квантові стани передбачуваним чином.
Іншими словами, дослідження надає план створення майбутніх квантових матеріалів – не лише цього.
Від квантових комп'ютерів до чистішої енергії
Оскільки матеріал працює при кімнатній температурі, його потенційні сфери застосування виходять далеко за рамки фундаментальної фізики.
Майбутні квантові комп'ютери можуть використовувати аналогічні матеріали для передачі делікатної квантової інформації без використання громіздких кріогенних систем охолодження. Ті ж принципи можуть забезпечити створення більш практичних квантових комунікаційних мереж, надчутливих датчиків та інших нових квантових технологій.
Здатність пропускати світло через матеріал з меншими втратами може принести користь відновлюваній енергетиці.
У сучасних сонячних батареях частина сонячного світла, що надходить, затримується в матеріалі й в кінцевому підсумку перетворюється в тепло, а не в електрику, що знижує кількість одержуваної енергії. Спрямовуючи світло ефективнішими шляхами, метакристал може допомогти зберегти більшу частину цієї енергії всередині матеріалу, запобігаючи її втратам.
Саме це Маганья-Лоайса планує перевірити надалі.
Наступний крок команди - інтеграція метакристала в сонячні батареї та дослідження можливості збільшення кількості сонячного світла, що перетворюється на корисну електроенергію. У разі успіху ця робота продемонструє як відкриття, засноване на фундаментальній квантовій фізиці, може безпосередньо покращити технології сонячної енергетики наступного покоління.
