Квантовые материалы способны проявлять необычные свойства, которые могут пригодиться в вычислениях, связи и энергетике. Но есть серьёзная проблема: большинство таких материалов чрезвычайно чувствительны и работают только при очень низких температурах.
Учёные из Университета штата Луизиана сделали шаг к тому, чтобы вывести квантовые технологии из лабораторных холодильников. Они создали материал, способный демонстрировать квантовые свойства при комнатной температуре.
Он представляет собой тонкую плёнку золота на стеклянном чипе, покрытую микроскопическими узорами. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Секрет материала заключается в том, что он работает не с отдельными атомами и электронами, поведение которых сильно нарушается из-за тепла, а с фотонами — частицами света.
Созданная структура называется плазмонным метакристаллом. Когда свет движется по поверхности золота, он вызывает волны электронов, называемые плазмонами. Сам кристалл при этом не существует в природе, а искусственно создаётся исследователями.
На поверхности золота вырезаны крошечные щели, которые действуют как искусственные атомы. Их размер, форма и расположение определяют, какие группы фотонов смогут пройти через материал и как именно они будут себя вести.
По словам авторов работы, такой кристалл действует как своеобразный фильтр квантовых состояний. Изменяя расположение искусственных атомов, учёные могут выбирать, какие состояния света будут пропускаться через структуру.
Когда свет попадает на чип и распространяется по золотой поверхности, микроскопические узоры управляют его движением. Благодаря этому некоторые квантовые состояния света можно переносить с меньшими потерями и искажениями.
Эти состояния несут информацию. Новый материал способен различать их и надёжно перемещать из одной точки в другую без криогенного охлаждения.
Исследователи называют это устойчивым переносом. Именно такая способность может приблизить создание практических квантовых устройств, способных передавать информацию при обычной температуре.
Пока речь идёт лишь о ранней демонстрации принципа. Однако эксперимент показал, что сама идея работает.
Учёные отмечают, что созданный ими материал способен выполнять функции, которые не встречаются у природных материалов. При этом его свойства можно заранее рассчитать и контролировать.
Использованный подход не ограничивается одним золотым чипом. Другие исследовательские группы смогут менять размеры и расстояния между щелями, создавая метакристаллы с другими свойствами и по-разному управляя светом.
Квантовое поведение материалов при комнатной температуре наблюдали и раньше. Однако авторы называют свою разработку первым подобным примером для настолько сложного чипа, способного сортировать и направлять квантовые состояния света.
Такие материалы потенциально могут использоваться в квантовых вычислениях, системах связи и будущем квантовом интернете. Ещё одно возможное направление — солнечная энергетика.
Следующим этапом исследователи планируют проверить, сможет ли новый метакристалл эффективнее направлять свет, попадающий на солнечные элементы, и уменьшать потери энергии в виде тепла.
Авторы работы считают, что им удалось не только создать новый класс квантовых материалов, работающих при комнатной температуре, но и разработать теорию, которая позволяет понимать и контролировать их поведение.
