Физики из Университета штата Луизиана разработали первый в мире квантовый материал, который работает при комнатной температуре. Новый метакристалл способен распознавать и направлять различные квантовые состояния света, что устраняет одно из главных препятствий на пути к практическому применению квантовых технологий. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
До сих пор большинство квантовых материалов проявляли свои уникальные свойства только при температурах, близких к абсолютному нулю. В обычных условиях тепло заставляет атомы вибрировать, и эти колебания разрушают хрупкие квантовые эффекты. Чтобы их подавить, необходимы громоздкие и дорогие криогенные установки, что ограничивало применение таких материалов стенами лабораторий.
Вместо того чтобы искать подходящее вещество в природе, исследователи создали его искусственно. Они нанесли на стеклянную подложку тонкий слой золота, а затем с помощью сфокусированных ионных пучков прорезали в нём сотни микроскопических щелей. Эти щели, названные мета-атомами, образуют структуру сложнее любого природного кристалла. Толщина готового устройства меньше человеческого волоса.
Когда свет попадает на чип, он взаимодействует с мета-атомами. Варьируя размер, форму и расположение щелей, учёные могут точно контролировать реакцию материала на свет. Метакристалл действует как фильтр: он распознаёт тонкие различия в квантовых состояниях входящего света и направляет их по разным маршрутам, сохраняя их ключевые характеристики. Этот процесс основан на так называемых квантовых статистических зонах, которые, подобно электронным зонам в полупроводниках, управляют движением квантовых состояний.
Поскольку материал не требует охлаждения, его можно будет интегрировать в реальные устройства. Это позволит создавать компактные и менее дорогие квантовые компьютеры и системы защищённой связи. Кроме того, технологию планируют применить для повышения эффективности солнечных батарей. Метакристалл способен направлять свет с меньшими потерями, не давая ему рассеиваться в виде тепла, что может увеличить долю солнечной энергии, преобразуемой в электричество. Проверка этой гипотезы – следующая задача исследовательской группы.
Разработанный подход важен не только как единичное открытие. Он предлагает общую стратегию проектирования, которая позволит создавать целый класс новых квантовых материалов с заранее заданными свойствами.
