Квантовый материал на основе золота и стекла работает при комнатной температуре
Физики из Университета штата Луизиана (LSU) создали квантовый материал, способный различать и переносить разные квантовые состояния света при комнатной температуре. Это достижение опубликовано в журнале Nature и решает давнюю проблему: большинство квантовых материалов работают только при температурах, близких к абсолютному нулю, что требует громоздкого криогенного оборудования.
Новый материал представляет собой искусственный метакристалл. Исследователи нанесли тонкий слой золота на стеклянный чип, а затем сфокусированным ионным пучком вырезали в нем сотни микроскопических прорезей. Каждая такая структура играет роль искусственного атома — метаатома. Вместе они образуют искусственный кристалл, толщина которого меньше человеческого волоса.
Принцип работы основан на взаимодействии света с метаатомами. Меняя размер, форму и расстояние между ними, ученые настроили материал так, чтобы он реагировал на определенные квантовые характеристики света. По сути, материал работает как фильтр: одни квантовые состояния он пропускает без изменений, другие преобразует.
Главное отличие разработки — способность сохранять квантовые состояния при комнатной температуре. Обычно тепловые колебания атомов нарушают хрупкие квантовые эффекты. Но благодаря структуре метакристалла эти эффекты остаются стабильными без охлаждения.
Исследователи также обнаружили, что метакристалл формирует особые квантовые статистические зоны, похожие на энергетические зоны в полупроводниках. Однако в отличие от природных материалов, здесь свойства можно задать заранее на этапе проектирования. Это позволяет создавать материалы под конкретные задачи.
В перспективе разработка может найти применение в квантовых компьютерах, защищенной связи и высокочувствительных сенсорах. Сейчас одна из главных трудностей в этих областях — сохранение квантовой информации в реальных условиях, и новый метакристалл помогает обойти эту проблему.
Следующим этапом команда планирует испытать метакристалл в солнечных элементах. Ученые проверят, может ли структура направлять больше света внутри материала и уменьшать потери энергии, которая в современных панелях превращается в тепло.
