Физики создали первый квантовый материал при комнатной температуре
Физики из Университета штата Луизиана совершили долгожданный прорыв. В исследовании, опубликованном в престижном научном журнале Nature, ученые представили первый в мире квантовый материал, способный работать при комнатной температуре. Он умеет распознавать, фильтровать и стабильно транспортировать различные квантовые состояния света.
Квантовые материалы обещают совершить революцию в самых разных сферах — от создания сверхмощных суперкомпьютеров и абсолютно защищенных сетей связи до передовых энергетических систем. Однако на пути к их массовому внедрению всегда стояло одно колоссальное препятствие. Почти все известные квантовые эффекты проявляются лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. При комнатной температуре тепловой хаос и постоянные вибрации атомов мгновенно разрушают хрупкие квантовые состояния. Для работы лабораторных установок требуются громоздкие и дорогие криогенные системы, что делает технологии непрактичными для повседневной жизни.
Рукотворный кристалл тоньше человеческого волоса
Вместо того чтобы искать подходящие свойства в дикой природе, команда физиков решила спроектировать и построить материал с нуля. На стеклянный чип была нанесена тончайшая золотая пленка. Затем с помощью сфокусированного ионного пучка исследователи вырезали в золоте сотни микроскопических щелей. Каждая такая щель действует как искусственный атом, или «мета-атом». Вместе они образуют искусственную кристаллическую структуру — плазмонный метакристалл, толщина которого меньше ширины человеческого волоса.
Когда свет попадает на поверхность чипа, он начинает взаимодействовать с этими мета-атомами. Тщательно контролируя их размер, форму и расстояние друг от друга, ученые научились управлять светом на квантовом уровне, чего никогда ранее не удавалось достичь в условиях комнатной температуры. Разработка получила официальное название: квантовый статистический плазмонный метакристалл.
Автоматический фильтр квантовых состояний
Свет от солнца, лазера или люминесцентной лампы состоит из фотонов, но на квантовом уровне они ведут себя совершенно по-разному. Традиционно для фиксации этих тонких различий требовались миллионы измерений и сложнейшие криогенные детекторы. Созданный метакристалл справляется с этой задачей автоматически. Он реагирует не на цвет или интенсивность волны, а на внутреннюю квантовую когерентность системы. Кристалл разделяет входящие квантовые состояния и направляет каждое из них по собственному строго определенному маршруту.
Ученые называют процесс «надежным транспортом». Метакристалл способен перемещать квантовые данные из одной точки в другую без потерь и искажений. При этом физики обнаружили, что в материале естественным образом формируются так называемые «квантовые статистические зоны» — аналог электронных зон в полупроводниках, определяющих проводимость электричества.
От суперкомпьютеров до зеленой энергетики
Поскольку новый материал стабильно работает при комнатной температуре, сфера его практического применения выходит далеко за рамки фундаментальной физики. В будущем квантовые компьютеры смогут использовать подобные структуры для передачи хрупких данных внутри процессоров без использования огромных холодильных установок. Это откроет путь к созданию компактных коммерческих квантовых устройств.
Кроме того, технология способна кардинально улучшить сферу возобновляемой энергетики, в частности солнечные батареи. В современных фотоэлементах часть солнечного света оказывается «запертой» внутри материала и превращается в бесполезное тепло, снижая КПД. Направляя световые потоки по защищенным квантовым путям метакристалла, инженеры смогут минимизировать эти потери энергии, заставляя панели работать на максимуме своих возможностей.
