Учёные создали метакристалл из золота и стекла, который управляет квантовыми состояниями фотонов и может стать основой для будущих квантовых вычислений, связи и сенсоров
Наука и космос120 июл 13:51
Большинство известных квантовых материалов функционируют только при температурах, близких к абсолютному нулю, что долгое время ограничивало их применение вне лабораторий. Исследователи из Университета штата Луизиана решили эту задачу, (LSU) создав первый квантовый материал, который способен различать и переносить различные квантовые состояния при комнатной температуре.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Команда под руководством доцента физики Омара Маганья-Лоайсы (Omar S. Magana-Loaiza) разработала новый тип искусственного материала — квантовый статистический плазмонный метакристалл (quantum statistical plasmonic metacrystal). Его структура позволяет управлять квантовыми свойствами света без необходимости в сложных системах охлаждения.
Квантовые эффекты обычно трудно сохранять в стандартных условиях из-за тепловых колебаний атомов. С повышением температуры эти колебания нарушают хрупкие квантовые состояния, поэтому множество экспериментов с квантовыми материалами требуют криогенных установок. Новый материал создавался не с помощью поиска редкого природного вещества, а через инженерное проектирование структуры с заранее определёнными свойствами.
Для создания метакристалла исследователи нанесли тонкий слой золота на стеклянный чип и затем с помощью сфокусированного ионного пучка сформировали в нём сотни микроскопических прорезей. Каждая такая структура выполняет функцию искусственного атома — метаатома. В совокупности они образуют искусственный кристалл толщиной меньше человеческого волоса.
Когда свет попадает на поверхность материала, он взаимодействует с расположенными в определённом порядке метаатомами. Изменяя их размеры, формы и расстояния между ними, учёные смогли настроить структуру так, чтобы она реагировала на различные квантовые характеристики света. Материал функционирует как «фильтр»: он пропускает одни квантовые состояния и модифицирует другие.
Ключевое отличие данной разработки заключается в её способности сохранять и переносить квантовые состояния света при комнатной температуре. По словам Маганья-Лоайсы, такие состояния могут быть использованы для передачи информации, а созданный кристалл способен различать их и перемещать внутри структуры без необходимости охлаждения.
Исследователи также обнаружили, что метакристалл формирует уникальные «квантовые статистические зоны», которые напоминают энергетические зоны в полупроводниках. В обычных материалах такие свойства определяются природной структурой вещества, тогда как новый подход позволяет проектировать материал так, чтобы заранее задавать, какие квантовые состояния смогут проходить через него без изменений.
Учёные предполагают, что этот принцип может стать основой для разработки нового класса квантовых материалов. Потенциальные области применения включают квантовые компьютеры, системы защищённой связи и высокочувствительные сенсоры, где одной из главных задач остаётся сохранение квантовой информации в реальных условиях.
Следующим этапом команда планирует исследовать использование метакристалла в солнечных элементах. Исследователи стремятся выяснить, сможет ли структура направлять больше света внутри материала и уменьшить потери энергии, которая в современных солнечных панелях частично преобразуется в тепло вместо электричества.
Darth SaharaИсточники:NatureНаука и космос1ЭнергетикаКвантовые вычисленияФотоныПлазмоникаМетаматериалы20 июл 13:51
Источник
