Квантовые материалы могут революционизировать целый ряд технологий — от мощных компьютеров и сверхбезопасной связи до передовых энергетических систем. Однако всегда существовало одно серьёзное препятствие. 

Практически все известные квантовые материалы проявляют свои удивительные свойства только при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. При комнатной температуре тепло вызывает постоянные колебания атомов, которые подавляют тонкие квантовые явления, на которые рассчитывают учёные. Для подавления этих колебаний требуются громоздкие криогенные холодильные системы, что делает квантовые материалы мощными инструментами в лаборатории, но затрудняет их внедрение на практике. 

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, физики из Университета штата Луизиана (LSU) разработали первый квантовый материал, работающий при комнатной температуре и способный различать и передавать различные квантовые состояния света, преодолев тем самым одну из самых серьёзных проблем в области исследований квантовых материалов. Работа, возглавляемая доцентом кафедры физики Омаром С. Маганья-Лоайса, устанавливает общий принцип проектирования для создания совершенно нового класса квантовых материалов, открывая новые возможности для квантовых вычислений, безопасной связи, сенсорных технологий и передовых энергетических систем. 

Для Чэнлуна Ю, бывшего постдокторанта, а ныне профессора Китайского университета электронных наук и технологий, одним из самых воодушевляющих моментов стало то, что нестандартный подход команды сработал именно так, как и предсказывала теория. 

«Одним из самых захватывающих моментов в этом проекте стало осознание того, что мы смогли создать материал, способный делать то, чего природа сама по себе не даёт. Увидеть, как он работает именно так, как мы и предсказывали, было невероятно воодушевляющим», — сказал Ю. 

Создание квантового материала с нуля

Вместо того чтобы искать в природе материал с нужными квантовыми свойствами, команда разработала и создала его самостоятельно. 

Для этого исследователи нанесли тонкую плёнку золота на стеклянный чип. С помощью сфокусированных ионных пучков они вырезали в золоте сотни микроскопических щелей, каждая из которых действует как виртуальный атом, или метаатом. Вместе эти метаатомы образуют кристалл, не имеющий природного аналога, толщина которого меньше ширины человеческого волоса. 

Когда свет попадает в чип, он проходит по золотой поверхности и взаимодействует с этими метаатомами. Тщательно регулируя их размер, форму и расстояние между ними, исследователи разработали материал, позволяющий манипулировать светом способами, которые ранее не удавалось реализовать при комнатной температуре. 

«Регулируя распределение метаатомов в плазмонном метакристалле, мы можем систематически определять, какие квантовые состояния могут проходить через структуру. Таким образом, наш кристалл по сути действует как статистический фильтр квантовых состояний», — сказал Райли Б. Докинс, недавно защитивший докторскую диссертацию и теперь приступающий к работе в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в качестве научного сотрудника-постдокторанта NRC. 

От первоначальной идеи до заключительного эксперимента каждый этап проекта — от теории и проектирования материала до наноизготовления и экспериментальной проверки — был реализован в рамках Группы квантовой фотоники Маганья-Лоайса в Университете штата Луизиана (LSU). 

Однако этот прорыв выходит далеко за рамки создания нового материала. Речь идёт о том, что этот материал делает возможным. 

Различие квантовых состояний

Свет может вести себя по-разному. 

Солнечный свет, лазерное излучение и свет люминесцентных ламп состоят из фотонов, но эти фотоны колеблются и взаимодействуют по-разному. Именно эти тонкие различия определяют поведение света на квантовом уровне, однако для их выявления традиционно требовались сложные приборы, криогенные детекторы и миллионы измерений. 

Метакристалл, созданный нашей командой, делает это автоматически. Вместо того чтобы реагировать только на цвет или интенсивность световой волны, он различает тонкие квантовые различия между поступающим светом и направляет каждое квантовое состояние по отдельному пути через кристалл. 

Не менее важно то, что эти пути позволяют определённым квантовым состояниям распространяться через материал с меньшими изменениями их статистики — уникальных характеристик, определяющих каждое квантовое состояние. 

«Мы называем это надёжным транспортом, — сказал Маганья-Лоайса. — Эти квантовые состояния несут информацию. Наш кристалл может различать их и надёжно перемещать из одной точки в другую без необходимости криогенного охлаждения. Именно это открывает путь к практическим квантовым технологиям». 

Физики описывают это коллективное поведение как квантовую когерентность, и её сохранение является одной из центральных задач квантовой информатики. В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи описывают свой метакристалл как первый квантовый материал, работающий при комнатной температуре и обладающий внутренней чувствительностью к квантовой когерентности многочастичных систем. 

Новый класс квантовых материалов

Это открытие настолько кардинально отличалось от существующих материалов, что исследователям пришлось придумать для него новое название: квантово-статистический плазмонный метакристалл. 

«Для меня это был не просто проект — это была совместная работа, основанная на идее создания чего-то совершенно нового в области квантовых технологий, — сказала Джаннатул Фердус, аспирантка из группы Маганья-Лоайса. — Что делало эту работу по-настоящему захватывающей, так это то, что мы не только создавали новый класс квантовых материалов, работающих при комнатной температуре, но и разрабатывали теорию, позволяющую понять и контролировать их поведение. Увидеть, как эта идея воплотилась в экспериментальной реальности, было невероятно воодушевляющим». 

Исследователи также обнаружили, что метакристалл естественным образом формирует так называемые квантово-статистические зоны, аналогичные электронным зональным структурам, определяющим способность полупроводников проводить электричество. 

Манипулируя расположением метаатомов, они могут определять, какие квантовые состояния могут проходить через материал без изменений, а какие статистически изменяются в ходе этого процесса. Вместо того чтобы полагаться на природные материалы с нужными свойствами, учёные теперь могут целенаправленно проектировать материалы, которые управляют квантовыми состояниями предсказуемым образом. 

Другими словами, это исследование предоставляет основу для создания будущих квантовых материалов — не только этого одного. 

От квантовых компьютеров до экологически чистой энергии

Поскольку материал работает при комнатной температуре, его потенциальные области применения выходят далеко за рамки фундаментальной физики. 

Будущие квантовые компьютеры могли бы использовать аналогичные материалы для передачи уязвимой квантовой информации без необходимости применения громоздких криогенных систем охлаждения. Те же принципы могли бы также способствовать созданию более практичных сетей квантовой связи, сверхчувствительных датчиков и других перспективных квантовых технологий. 

Способность обеспечивать прохождение света через материал с меньшими потерями также могла бы принести пользу в сфере возобновляемой энергетики. 

В современных солнечных элементах часть поступающего солнечного света задерживается внутри материала и в конечном итоге преобразуется в тепло, а не в электричество, что снижает количество энергии, которую можно извлечь. Направляя свет по более устойчивым траекториям, метакристалл мог бы помочь сохранить большую часть этой энергии, проходящей через материал, вместо того чтобы она терялась. 

Именно это Маганья-Лоайса планирует проверить на следующем этапе. 

Следующим шагом команды станет интеграция метакристалла в солнечные элементы и изучение возможности увеличения количества солнечного света, преобразуемого в полезную электроэнергию. В случае успеха эта работа продемонстрирует, как открытие, основанное на фундаментальной квантовой физике, может напрямую улучшить технологии солнечной энергетики следующего поколения.