Ученые создали первый квантовый материал, способный сортировать и транспортировать различные квантовые состояния света при комнатной температуре, что потенциально устраняет необходимость в громоздких системах сверхнизких температур. Ультратонкий «метакристалл», созданный из золотой пленки с сотнями микроскопических структур, действует как фильтр, направляющий различные типы квантового света по отдельным путям, сохраняя при этом несущую их информацию.
Квантовые материалы могли бы изменить такие разнообразные области, как высокопроизводительные вычисления, защищенная связь, чувствительное обнаружение и производство энергии. Однако одно постоянно существующее ограничение мешает большинству из них стать практическими технологиями.
Практически все обнаруженные к настоящему времени квантовые материалы работают только при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. При обычных температурах тепло заставляет атомы постоянно вибрировать. Эти вибрации нарушают хрупкие квантовые эффекты, которые исследователи хотят контролировать.
Для подавления этого движения обычно требуются большие криогенные системы охлаждения. В результате квантовые материалы могут выполнять замечательные задачи в тщательно контролируемых лабораторных условиях, но их сложно и дорого использовать в реальных устройствах.
Квантовый материал, работающий при комнатной температуре.
Физики из Университета штата Луизиана создали первый квантовый материал, работающий при комнатной температуре и способный идентифицировать и переносить различные квантовые состояния света. Об этом достижении, опубликованном в журнале Nature, сообщается, что оно преодолевает один из наиболее существенных барьеров в исследованиях квантовых материалов.
Исследование возглавил доцент 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.
Подобные материалы в конечном итоге могут стать основой для квантовых компьютеров, высокозащищенных систем связи, передовых датчиков и новых энергетических технологий.
Для Чэнлуна Ю, бывшего научного сотрудника, а ныне профессора Китайского университета электронной науки и техники, особенно приятным моментом стало то, что необычная конструкция показала себя в точности так, как предсказывала теория.
«Одним из самых захватывающих моментов этого проекта стало осознание того, что мы можем создать материал, который делает то, чего природа сама по себе не может обеспечить. Увидеть, как он работает именно 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 стеклянную пластину. Затем они использовали сфокусированные ионные пучки для вырезания сотен чрезвычайно маленьких щелей в металле. Каждая щель функционирует как искусственный атом, или метаатом.
Вместе эти метаатомы образуют кристалл, непохожий ни на один из встречающихся в природе. Завершённая структура также тоньше человеческого волоса.
Когда свет достигает чипа, он распространяется по золотой поверхности и взаимодействует с созданными метаатомами. Точно регулируя размер, форму и расстояние между этими структурами, исследователи получили контроль над тем, как материал реагирует на свет.
В результате была достигнута форма управления светом, которая ранее никогда не удавалась при комнатной температуре.
«Благодаря целенаправленному изменению распределения метаатомов в плазмонном метакристалле мы можем систематически определять, какие квантовые статистические данные могут проходить через структуру. Таким образом, наш кристалл, по сути, действует как статистический фильтр для квантовых состояний», - сказал Райли Б. Докинс, недавно защитивший докторскую диссертацию и в настоящее время работающий в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в качестве научного сотрудника-постдокторанта в NRC.
Группа квантовой фотоники Маганьи-Лоайсы в Университете штата Луизиана завершила все этапы исследования, включая первоначальную теорию, разработку материалов, наноизготовление и экспериментальные испытания.
Однако значение этой работы выходит за рамки создания необычного нового материала. Ее наибольшая ценность заключается в том, на что способен этот метакристалл.
Сортировка различных квантовых состояний света
Свет не всегда ведёт себя одинаково.
Солнечный свет, лазерный свет и свет люминесцентных ламп 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 настоящего времени для выявления этих различий, как правило, требовалось сложное оборудование, детекторы, охлажденные до чрезвычайно низких температур, и миллионы отдельных измерений.
Новый метакристалл самостоятельно осуществляет процесс сортировки. Вместо того чтобы реагировать только на привычные свойства, такие как цвет или интенсивность, он обнаруживает тонкие квантовые различия в падающем свете.
Затем он направляет различные квантовые состояния по отдельным путям через кристалл.
Эти пути также позволяют определенным квантовым состояниям перемещаться сквозь материал, претерпевая при этом меньшие изменения в своих статистических характеристиках. Именно эти характеристики отличают одно квантовое состояние от другого.
«Мы называем это устойчивым переносом», - сказала Маганья-Лоайса. «Эти квантовые состояния несут информацию. Наш кристалл может различать их и перемещать из одной точки в другую устойчивым образом, не требуя криогенного охлаждения. Именно это открывает двери для практических квантовых технологий».
Физики называют это общее квантовое поведение квантовой когерентностью. Поддержание когерентности - одна из самых сложных проблем в квантовой информационной науке, поскольку взаимодействие с окружающей средой может быстро её разрушить.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature , команда описывает метакристалл как первый квантовый материал, работающий при комнатной температуре и обладающий внутренней чувствительностью к квантовой когерентности многочастичных систем.
Совершенно новый класс квантовых материалов
Этот 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 была коллективная работа, основанная на идее создания чего-то совершенно нового в квантовых технологиях», - сказала Джаннатул Фердоус, аспирантка в группе Маганьи-Лоайсы. «По-настоящему захватывающим было то, что мы не только создавали новый класс квантовых материалов, работающих при комнатной температуре, но и разрабатывали теорию для понимания и управления их поведением. Видеть, как эта идея воплощается в экспериментальную реальность, было невероятно приятно».
Команда также обнаружила, что метакристалл естественным образом образует структуры, которые они называют квантово-статистическими полосами.
Эти зоны по своей концепции схожи с электронными зонными структурами, которые определяют, как электричество распространяется в полупроводниках. Однако в новом материале зоны управляют движением и статистическим поведением квантовых состояний света.
Изменяя расположение метаатомов, исследователи могут выбирать, какие квантовые состояния проходят через материал без изменений, а какие претерпевают статистические изменения.
Такой уровень контроля представляет собой серьезный сдвиг в подходах к разработке квантовых материалов. Ученым больше не нужно полностью полагаться на поиск природных веществ с полезными свойствами. Вместо этого они могут создавать материалы, которые управляют квантовыми состояниями целенаправленным и предсказуемым образом.
Таким образом, полученные результаты представляют собой общую модель для создания многих будущих квантовых материалов, а не являются лишь одним отдельным открытием.
Потенциальные области применения в вычислительной технике и связи
Работа при комнатной температуре делает этот метакристалл перспективным для технологий, выходящих далеко за рамки фундаментальных физических исследований.
Подобные материалы в будущем могут использоваться для переноса хрупкой квантовой информации внутри квантовых компьютеров без необходимости в огромных системах охлаждения. Устранение или уменьшение потребности в криогенном охлаждении может сделать квантовые устройства меньше, дешевле и проще в развертывании.
Те же принципы проектирования могут также способствовать созданию более практичных квантовых коммуникационных сетей, высокочувствительных датчиков и других развивающихся квантовых технологий.
Возможный импульс для развития солнечной энергетики
Способность этого материала направлять свет с меньшими потерями может также найти важное применение в возобновляемой энергетике.
Современные солнечные батареи не преобразуют весь поступающий солнечный свет в электричество. Часть света задерживается внутри материала и в конечном итоге превращается в тепло, снижая количество полезной энергии, которую может произвести батарея.
Метакристалл, направляющий свет по более стабильным путям, мог бы помочь предотвратить потерю части этой энергии. Большая часть поступающего света могла бы оставаться доступной для преобразования в электричество.
Проверка этой возможности - следующая задача команды.
Исследователи планируют интегрировать метакристалл в солнечные батареи и определить, сможет ли он увеличить долю солнечного света, преобразуемого в полезную электрическую энергию.
