Ze zijn meestal ijskoud.
De meeste kwantummaterialen. De delicate dingen die de natuurkunde buigen. Degenen met het gekke potentieel voor wetenschap en technologie. Om te kunnen werken hebben ze ultralage temperaturen nodig.
Haal ze uit een laboratoriumkoelkast? Onmogelijk. Tenminste, dat was het.
Tot nu toe.
Onderzoekers van de Louisiana State University (LSU) hebben iets nieuws gecreëerd. Een kwantummateriaal op kamertemperatuur. Het is gebouwd op goud. Concreet een dun laagje goud bovenop een glazen chip. Microscopische patronen worden rechtstreeks in dat goud gesneden.
Een artikel over deze doorbraak is al verschenen in Nature.
Dit is waarom het ertoe doet. Er is je waarschijnlijk verteld dat hitte kwantumtoestanden vernietigt. Chaos op atomair niveau. Elektronen raken verstrikt. Thermodynamica gooit roet in het eten. Deze nieuwe opzet draait het script om. Het bestrijdt de hitte niet door alles te bevriezen. Het negeert de gebruikelijke boosdoeners.
Het richt zich op fotonen. Licht.
Hoe plasmonische metakristallen de werkelijkheid filteren
Dit apparaat is geclassificeerd als een plasmonisch metakristal. De naam is compact, maar de monteur is eenvoudig. ‘Plasmonisch’ verwijst naar licht dat rimpelingen veroorzaakt in de elektronendichtheid op het metaaloppervlak. Deze rimpelingen noemen we plasmonen.
‘Metakristal’ betekent dat het niet natuurlijk is. Het is kunstmatig.
De kleine spleetpatronen die in die gouden chip zijn geëtst, fungeren als kunstmatige atomen. Natuurkundigen noemen ze meta-atomen. Deze bepalen hoe groepen fotonen door het materiaal gaan. Dat doorgeven is het kwantumgedrag dat we proberen te benutten.
“Door de verdeling van meta-atomen in het plasmonische metacystal te manipuleren, kunnen we systematisch dicteren welke kwantitatieve statistieken mogen worden doorgegeven”, legt natuurkundige Riley Dawkins uit.
“Het kristal fungeert als een statistisch filter.”
Licht raakt de chip. Reist over het goud. De meta-atomen manipuleren het. Door de spleetgrootte, vorm en afstand aan te passen, verandert de uitvoer op kwantumniveau. Het is geen magie. Het is een precieze geometrie die het licht regelt.
Waarom werking op kamertemperatuur de standaard is
Dit maakt wat het team robuust transport noemt mogelijk.
Kwantumtoestanden dragen doorgaans informatie over. Fijn. Maar ze gaan achteruit als er lawaai binnendringt. Het nieuwe LSU-materiaal kan onderscheid maken tussen deze toestanden. Het verplaatst ze van punt A naar punt B zonder dat er geluid binnendringt. Cruciaal: zonder dat hiervoor cryogene koeling nodig is.
‘Wat er in wezen gebeurt, is dat verschillende soorten licht, afhankelijk van de kwantumtoestanden waarin ze zich bevinden, verschillende eigenschappen hebben’, zegt natuurkundige Omar Magaña-Loga.
“We kunnen de ene staat over de andere leiden zonder verlies of ruis… Dit opent de deur voor praktische kwantumtechnologie.”
Dat is een enorme verschuiving. We hebben het nog niet over het draaien van een kwantumcomputer op een bureau. Dit is een proof-of-concept. De wetenschap houdt stand. De fundamentele fysica is goed. Maar het bewijst dat de kernhindernis – thermische stabiliteit op apparaatniveau – overkomelijk is.
“Het was ongelooflijk om te zien dat het precies zo werkte als voorspeld”, vertelt Chenglong You aan de pers. “Het deed iets dat de natuur niet eens biedt.”
Waar nu voor kwantumgoudchips?
De methode blijft niet in een laboratoriumlade hangen. Het is een blauwdruk. Andere teams kunnen deze papieren bekijken. Ze kunnen de spleetgroottes en -afstanden aanpassen om aan te passen hoe hun kristallen licht verwerken. Het schaalt. Het is aanpasbaar.
Ja, licht zelf is kwantum. Ultraviolet raakt anders dan laserlicht. Bij eerdere pogingen is zeker sprake geweest van kwantumgedrag bij kamertemperatuur. Maar dit is anders. Het is een geavanceerd sorteermechanisme. Een op chips gebaseerde architectuur voor het verwerken van kwantuminformatiestromen.
Waar komt de aanvraag terecht?
Berekenen. Comm. Het kwantuminternet. Zonne-energie.
De onderzoekers richten zich al op energie. Ze zijn van plan deze plasmonische metkristallen in zonnepanelen te gebruiken. Het doel: binnenkomend zonlicht effectiever geleiden. Leg meer kracht vast. Verlies minder door hitte. Het is een iteratieve lus van efficiëntie.
Voorlopig leek de onmiddellijke toekomst van de kwantumtechnologie opgesloten achter glazen deuren en vloeibare stikstof.
De sleutel is omgesmolten tot een patroon.
