Зазвичай такі системи потребують крижаного холоду.
Більшість квантових матеріалів — тендітних істот, здатних згинати закони фізики і мають шалений потенціал для науки і технологій. Щоб працювати, їм потрібні наднизькі температури.
Винести їх із лабораторного холодильника? Неможливо. Принаймні раніше так думали.
Але тепер усе змінилося.
Вчені з Університету штату Луїзіана (LSU) створили щось нове. Квантовий матеріал, що працює при кімнатній температурі. Він побудований на золоті, а точніше, на тонкій золотій плівці, нанесеній на скляний чіп. На цьому золоті вигравірувано мікроскопічні візерунки.
Опис цього прориву вже опубліковано у журналі Nature.
Ось чому це важливо. Вам, напевно, говорили, що тепло руйнує квантові стани. Хаос на атомному рівні, сплутування електронів, термодинаміка, що кидає ключ у механізм. Але ця нова конструкція перегортає правила гри. Вона не бореться із теплом, заморожуючи все навколо. Вона просто ігнорує звичних винуватців проблеми.
Вона фокусується на фотонах. Світлані.
Як плазмонні метакристали фільтрують реальність
Цей пристрій класифікується як плазмовий метакристал. Назва звучить складно, але механіка проста. «Плазмонний» означає, що світло викликає брижі в електронній щільності на поверхні металу. Цю брижі ми називаємо плазмонами.
«Метакристал» говорить про те, що матеріал штучний, а не природний.
Мікроскопічні щілинні візерунки, витравлені на золотому чіпі, діють як штучні атоми. Фізики називають їх метаатомними центрами. Вони визначають, як групи фотонів проходять крізь матеріал. Саме цей процес проходження і є квантовою поведінкою, яку ми прагнемо використовувати.
«Інженерно керуючи розподілом метаатомів у плазмонному метакристалі, ми можемо систематично визначати, які квантові статистики зможуть пройти крізь нього, — пояснює фізик Райлі Докінз. — Кристал діє як статистичний фільтр».
Світло потрапляє на чіп, проходить золотою поверхнею. Метаатоми його маніпулюють. Змінюючи розмір, форму та крок щілин, можна змінювати вихідні характеристики на квантовому рівні. Це не магія, а точна геометрія, що керує світлом.
Чому робота при кімнатній температурі ламає шаблони
Це дозволяє досягти того, що команда дослідників називає надійним транспортуванням.
Квантові стани зазвичай переносять інформацію. Делікатно та акуратно. Але деградують, коли втручається шум. Новий матеріал LSU вміє розрізняти ці стани. Він переміщає їх з точки А до точки Б так, щоб шум не проник усередину. Що найважливіше – без необхідності кріогенного охолодження.
«Фактично, різні типи світла, залежно від їх квантових станів, мають різні властивості, — каже фізик Омар Муганя-Лога. — Ми можемо спрямовувати один стан поверх іншого без втрат і шуму… Це відчиняє двері для практичних квантових технологій».
Це величезне зрушення. Наразі не йдеться про використання настільного квантового комп’ютера. Це демонстрація концепції (proof-of-concept). Наука витримує перевірку, фундаментальна фізика міцна. Але головне доведено, що головний бар’єр, термічна стабільність на рівні пристрою, подолаємо.
“Бачити, як все працює точно так, як передбачали, було неймовірно, – розповів пресі Ченлун Ю. – Пристрій зробив те, що природа навіть не пропонує”.
Що далі чекає квантові золоті чіпи?
Метод не замкнений у лабораторному ящику. Це креслення. Інші команди можуть подивитися ці публікації, змінити розміри щілин та відстані, щоб налаштувати, як їхні кристали обробляють світло. Технологія масштабується. Вона адаптована.
Так, саме світло є квантовим. Ультрафіолет взаємодіє інакше, ніж лазерне світло. Попередні спроби спостерігали квантову поведінку за кімнатної температури, безумовно. Але це інакше. Це механізм просунутого сортування. Чипова архітектура обробки потоків квантової інформації.
Де використовуються такі рішення?
Обчислення. Зв’язок. Квантовий інтернет. Сонячна енергетика.
Дослідники вже переорієнтуються на енергетику. Вони планують використовувати ці плазмонні метакристали у сонячних панелях. Мета: ефективніше спрямовувати вхідне сонячне світло. Уловлювати більше енергії. Втрачати менше через нагрівання. Це ітераційний цикл підвищення ефективності.
Досі майбутнє квантових технологій виглядало так, ніби воно замкнене за скляними дверима в компанії рідкого азоту.
Тепер цей ключ розплавили та перетворили на візерунок.
