Согласно недавнему исследованию, опубликованному в журнале Nature, исследовательская группа из Университета штата Луизиана (LSU) в США успешно разработала первый в мире квантовый материал, который может работать при комнатной температуре. Этот материал может точно идентифицировать свет в разных квантовых состояниях, а также шунтировать и стабильно передавать его по разным путям. Этот прорывной результат не только создает новую стратегию разработки квантовых материалов, но и открывает путь для будущих практических приложений в таких областях, как квантовые вычисления, средства информационной безопасности, высокочувствительное обнаружение и возобновляемые источники энергии.
В традиционных квантовых научных исследованиях большинство квантовых материалов должны проявлять особые квантовые свойства в условиях чрезвычайно низкой температуры, близкой к абсолютному нулю. Сильные вибрации атомов, вызванные тепловым воздействием при комнатной температуре, могут легко разрушить хрупкие квантовые эффекты, поэтому обычно приходится полагаться на большие и дорогие холодильные системы с жидким азотом или жидким гелием. Это техническое узкое место серьезно препятствует проникновению квантовых технологий в лабораторию в повседневную жизнь.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследовательская группа отказалась от традиционного пути поиска натуральных материалов в природе и вместо этого приняла идею «строительства с нуля». Исследователи покрыли очень тонкую золотую пленку на поверхности стеклянного чипа и использовали технологию сфокусированного ионного луча, чтобы точно вырезать сотни микроотверстий на золотой пленке. Эти отверстия функционально играют роль «искусственных атомов» (или суператомов), а вместе они образуют «квантово-статистический плазмонный метакристалл», толщиной менее человеческого волоса и не существующий в природе.
Когда свет попадает на чип и распространяется по поверхности золотой пленки, исследователи могут добиться более точного контроля над фотонами, точно контролируя размер, геометрию и расстояние между суператомами. В отличие от предыдущих устройств, которые могут разделять свет только в зависимости от длины волны или яркости, этот суперкристалл может напрямую идентифицировать крошечные квантово-статистические различия между фотонами и автоматически направлять различные квантовые состояния по разным путям передачи, как «статистический фильтр».
Что еще более важно, материал обеспечивает «надежную транспортировку» при комнатной температуре, то есть квантовое состояние может сохранять свою основную информацию и квантовую когерентность во время процесса передачи, и его нелегко ослабить тепловым шумом окружающей среды.
Исследовательская группа отметила, что значение этого достижения заключается не только в создании образца высокопроизводительного материала, но и в создании масштабируемой структуры проектирования квантовых материалов. Изменяя расположение суператомов, исследователи могут искусственно настраивать «квантовую статистическую энергетическую полосу» материала точно так же, как проектируют энергетическую зону полупроводника, а затем решать, каким квантовым состояниям разрешено проходить или подвергаться определенным преобразованиям по мере необходимости.
В будущем ожидается, что этот вид квантового материала, не требующий криогенного охлаждения, значительно упростит внутреннюю структуру квантовых компьютеров и снизит стоимость строительства квантовых сетей связи. Кроме того, исследовательская группа также планирует применить этот материал в полях чистой энергии, таких как солнечные элементы, путем точного направления света, чтобы уменьшить потери световой энергии, преобразуемой в бесполезную тепловую энергию, тем самым эффективно улучшая эффективность фотоэлектрического преобразования солнечных элементов.