Фото: Группа квантовой фотоники ЛГУ.
Квантовые материалы открывают перспективы для высокопроизводительных вычислений, защищённой связи, сенсорных технологий и производства энергии, однако их практическое применение долгое время упиралось в фундаментальное ограничение. Почти все подобные вещества, обнаруженные на сегодняшний день, сохраняют работоспособность лишь при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. При обычных условиях тепловое движение атомов порождает вибрации, разрушающие деликатные квантовые эффекты, а для подавления этого движения необходимы громоздкие криогенные системы. Из-за этого квантовые материалы демонстрируют впечатляющие возможности в лабораториях, но оказываются слишком дорогими и сложными для использования в реальных устройствах.
Исследовательская группа под руководством доцента кафедры физики Университета штата Луизиана (LSU) Омара С. Маганья-Лоайсы впервые создала квантовый материал, который функционирует при нагреве и способен различать и передавать различные квантовые состояния света. Эта работа, опубликованная в журнале Nature, преодолевает одно из серьёзнейших препятствий в области квантовых технологий. Помимо самого материала, учёные разработали более эффективный метод проектирования, открывающий путь к созданию принципиально новых квантовых структур. В перспективе такие разработки могут лечь в основу квантовых компьютеров, высокозащищённых коммуникационных сетей, передовых датчиков и новых технологических решений.
Первый квантовый материал, работающий при нагреве
Особенно значимым этот прорыв стал для Чэнлуна Ю — бывшего постдокторанта, а ныне профессора Университета электронных наук и технологий Китая. Для него момент, когда необычные конструкции начали работать в точном соответствии с теорией, стал по-настоящему радостным. «Одной из самых захватывающих частей этого проекта было осознание того, что мы можем создать материал, который делает то, что природа не даёт сама себе. Видеть, как это работает именно так, как мы предсказывали, было невероятно приятно», — поделился Ю.
Создание искусственного квантового кристалла
Вместо того чтобы искать в природе вещество с нужными свойствами, команда LSU решила сконструировать материал с нуля. На стеклянный чип исследователи нанесли тончайший слой золота, а затем с помощью сфокусированных ионных пучков прорезали в металле микроскопические щели. Каждая щель выполняет роль искусственного атома — метаатома. Вместе эти метаатомы образуют кристалл, не имеющий аналогов в природе. Примечательно, что толщина готовой структуры оказывается меньше диаметра человеческого волоса.
Когда свет достигает чипа, он распространяется по поверхности золота и взаимодействует с созданными метаатомами. Точная регулировка размера, формы и расстояния между наноструктурами позволила учёным получить контроль над тем, как материал отвечает на свет. В результате была достигнута форма управления световым потоком, которая ранее не реализовывалась при комнатной температуре. «Разрабатывая распределение метаатомов в плазмонном метакристалле, мы можем систематически определять, какие квантовые характеристики могут возникнуть через структуру. Итак, наш кристалл существует как статистический фильтр квантовой энергии», — пояснил Райли Б. Докинз, недавно защитивший докторскую диссертацию и ныне работающий в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в качестве постдокторанта NRC.
Группа квантовой фотоники Маганья-Лоайсы в LSU выполнила все этапы работы — от первоначальной теории и дизайна материала до нанопроизводства и экспериментальных испытаний. Тщательность подхода позволила создать необычный искусственный кристалл; его главная ценность заключается в том, что он представляет собой метакристалл, демонстрирующий предсказанные квантовые свойства.
Различение квантовых состояний света
Свет не всегда ведёт себя одинаково. Солнечные лучи, лазерное излучение и флуоресцентное свечение состоят из фотонов, однако эти фотоны колеблются и взаимодействуют по-разному. Подобные незначительные различия влияют на квантовое поведение света. Ранее для анализа таких нюансов требовалось сложное оборудование, включая детекторы, охлаждаемые до экстремально низких температур. Новая разработка открывает путь к более простым и доступным методам работы с квантовыми состояниями света в повседневных условиях.
йно низкой температуры, и миллионы отдельных измерений.
Новый метакристалл самостоятельно выполняет процесс сортировки. Вместо того, чтобы реагировать только на известные свойства, такие как цвет или свойство, он обнаруживает такие квантовые различия в падающем свете.
Затем он направляет различные квантовые состояния по разным маршрутам через кристалл.
Эти маршруты также позволяют обеспечить квантовое состояние перемещения через материал, претерпевая при этом уменьшение изменений в его статистике. Эти статистические данные являются определяющими характеристиками, которые отличают одно квантовое состояние от другого.
"Мы называем это надежным транспортом" — сказал Мага-а-Лоаиза. «Эти квантовые состояния несут информации. Наш кристалл может существовать и надежно перемещать из одной точки в другую, не требуя криогенного охлаждения. Именно это открывает двери для практических квантовых технологий».
Физики называют это общим квантовым поведением квантовой когерентности. Поддержание когерентности — одна из самых сложных проблем в квантовой информатике, поскольку взаимодействие с окружающей средой может быстро разрушить ее.
В управлении Природа описывает метакристалл как первый квантовый материал, работающий при пониженной температуре, по своей сущности, значимый для квантовой когерентности систем многих тел.
Совершенно новый класс квантового материала
Этот материал настолько сильно отличается от обычных квантовых материалов, что исследователи придумали для него термин: новый квантовый статистический плазмонный метакристалл.
«Для меня это был не просто проект — это было коллективное усилие, построенное на идее создания чего-то совершенно нового в квантовой технологии», — сказал он. — сказал Джаннатул Фердоус, аспирант группы Мага-а-Лоайза. «На данный момент захватывающим было то, что мы не только создали новый класс квантового материала при нагревании, но и разработали методы, позволяющие понять и контролировать его поведение. Видеть, как эта идея становится экспериментальной реальностью, было невероятно приятно».
Команда также обнаружила, что метакристалл работает таким образом, образует структуры, которые называют квантово-статистическими полосами.
По своей концепции эти зоны аналогичны структурам электронной зоны, которые контролируют прохождение электричества через полупроводники. Однако в новом материале полосы управляют движением и поведением квантовых колебаний света.
Изменяя расположение метаатомов, исследователи могут выбирать, какие квантовые состояния передаются через материал без изменений, а какие претерпевают статистические изменения.
Этот уровень контроля представляет собой серьезный шаг в способах разработки квантовых материалов. Ученым больше не вакцинация полностью от поиска встречающихся в природе веществ с признаками природы. Вместо этого они могут разрабатывать материалы, которые сознательно и прилично управляют квантовыми состояниями.
Таким образом, полученные результаты представляют собой общий план создания многих будущих квантовых материалов, а не предусмотрено только одно изолированное открытие.
Возможное использование в вычислительной технике и средствах связи
Работа при нагревании под воздействием тепла делает метакристаллы актуальными для технологий, выходящих далеко за рамки фундаментальных исследований.
Полученные материалы однажды смогут переносить хрупкую квантовую информацию внутри квантовых компьютеров, не требуя охлаждения космических систем. Отказ от криогенного охлаждения или уменьшения необходимости в нем может сделать квантовые устройства меньше, дешевле и проще в развертывании.
Те же самые проектные решения могут также обеспечить создание более практичных сетей квантовой связи, высокочувствительных датчиков и других квантовых технологий.
Возможное увеличение солнечной энергии
Способность материала проводить свет с увеличением потерь может также найти мощное применение в возобновляемых источниках энергии.
Современные солнечные элементы не преобразуют весь поступающий солнечный свет в электричество. Никакая часть света не попадает внутрь материала и в конечном итоге превращается в тепло, снижая количество полезной энергии, что может привести к гибели клетки.
Метакристалл, который направляет свет более стабильными путями, может помочь предотвратить сохранение части этой энергии. Большая часть поступающего света может оставаться доступной для преобразования в электричество.
Проверка этой возможности — следующая цель команды.
Исследователи планируют включить метакристалл в солнечные элементы и определить, сможет ли он увеличить долю солнечного света, преобразуемого в полезную электрическую энергию.
Успех покажет, как прорыв в фундаментальной квантовой физике может непосредственно привести к трансформации технологий солнечной энергетики следующего поколения.
Команда благодарит Министерство энергетики США за финансирование, Управление фундаментальных финансовых наук, Отдел материального управления и инженерии, в рамках премии DE-SC0021069.