Обычно такие системы требуют ледяного холода.
Большинство квантовых материалов — хрупких существ, способных изгибать законы физики и обладающих безумным потенциалом для науки и технологий. Чтобы работать, им нужны сверхнизкие температуры.
Вынести их из лабораторного холодильника? Невозможно. По крайней мере, раньше так думали.
Но теперь всё изменилось.
Ученые из Университета штата Луизиана (LSU) создали нечто новое. Квантовый материал, работающий при комнатной температуре. Он построен на золоте, а точнее, на тонкой золотой пленке, нанесенной на стеклянный чип. На этом золоте выгравированы микроскопические узоры.
Описание этого прорыва уже опубликовано в журнале Nature.
Вот почему это важно. Вам наверняка говорили, что тепло разрушает квантовые состояния. Хаос на атомном уровне, спутывание электронов, термодинамика, бросающая ключ в механизм. Но эта новая конструкция переворывает правила игры. Она не борется с теплом, замораживая всё вокруг. Она просто игнорирует привычных виновников проблемы.
Она фокусируется на фотонах. Свете.
Как плазмонные метакристаллы фильтруют реальность
Это устройство классифицируется как плазмонный метакристалл. Название звучит сложно, но механика проста. «Плазмонный» означает, что свет вызывает рябь в электронной плотности на поверхности металла. Эту рябь мы называем плазмонами.
«Метакристалл» говорит о том, что материал искусственный, а не природный.
Микроскопические щелевые узоры, вытравленные на золотом чипе, действуют как искусственные атомы. Физики называют их метаатомными центрами. Они определяют, как группы фотонов проходят через материал. Именно этот процесс прохождения и представляет собой квантовое поведение, которое мы стремимся использовать.
«Инженерно управляя распределением метаатомов в плазмонном метакристалле, мы можем систематически определять, какие именно квантовые статистики смогут пройти сквозь него, — объясняет физик Райли Докинз. — Кристалл действует как статистический фильтр».
Свет попадает на чип, проходит по золотой поверхности. Метаатомы его манипулируют. Изменяя размер, форму и шаг щелей, можно менять выходные характеристики на квантовом уровне. Это не магия, а точная геометрия, управляющая светом.
Почему работа при комнатной температуре ломает шаблоны
Это позволяет достичь того, что команда исследователей называет надежной транспортировкой.
Квантовые состояния обычно переносят информацию. Деликатно и аккуратно. Но они деградируют, когда вмешивается шум. Новый материал LSU умеет различать эти состояния. Он перемещает их из точки А в точку Б так, чтобы шум не проник внутрь. Что самое важное — без необходимости криогенного охлаждения.
«Фактически, разные типы света, в зависимости от их квантовых состояний, обладают разными свойствами, — говорит физик Омар Муганя-Лога. — Мы можем направлять одно состояние поверх другого без потерь и шума… Это открывает дверь для практических квантовых технологий».
Это огромный сдвиг. Речь пока не идет об использовании настольного квантового компьютера. Это демонстрация концепции (proof-of-concept). Наука выдерживает проверку, фундаментальная физика прочна. Но главное — доказано, что главный барьер, термическая стабильность на уровне устройства, преодолим.
«Видеть, как всё работает точно так, как предсказывали, было невероятно, — рассказал прессе Чэнлун Ю. — Устройство сделало то, что природа даже не предлагает».
Что дальше ждет квантовые золотые чипы?
Метод не заперт в лабораторном ящике. Это чертеж. Другие команды могут посмотреть эти публикации, изменить размеры щелей и расстояния, чтобы настроить, как их кристаллы обрабатывают свет. Технология масштабируется. Она адаптируема.
Да, сам свет является квантовым. Ультрафиолет взаимодействует иначе, чем лазерный свет. Предыдущие попытки наблюдали квантовое поведение при комнатной температуре, безусловно. Но это иначе. Это механизм продвинутой сортировки. Чиповая архитектура для обработки потоков квантовой информации.
Где применяются такие решения?
Вычисления. Связь. Квантовый интернет. Солнечная энергетика.
Исследователи уже переориентируются на энергетику. Они планируют использовать эти плазмонные метакристаллы в солнечных панелях. Цель: более эффективно направлять входящий солнечный свет. Улавливать больше энергии. Терять меньше из-за нагрева. Это итерационный цикл повышения эффективности.
До сих пор будущее квантовых технологий выглядело так, будто оно заперто за стеклянными дверями в компании жидкого азота.
Теперь этот ключ расплавили и преобразовали в узор.
