Материалите в квантово състояние притежават необичайни свойства, които сякаш преобръщат познатите ни представи за законите на физиката. Те разкриват огромни възможности пред науката, но обикновено са изключително чувствителни и могат да съществуват и функционират само при свръхниски температури.
Това е сериозна пречка пред практическото използване на техните свойства. За да разгърнат пълния си потенциал, квантовите материали трябва да излязат от големите лабораторни хладилни системи и да започнат да работят в обичайни условия.
Ново изследване ни приближава с още една стъпка към тази цел.
Квантово поведение без свръхниски температури
Учени от Щатския университет на Луизиана са разработили материал, който проявява необичайно квантово поведение при стайна температура. Той представлява тънък златен слой, нанесен върху стъклен чип и покрит с микроскопични структури.
Резултатите от изследването са публикувани в научното списание Nature.
Топлинните колебания са сред основните препятствия пред запазването на квантовата кохерентност. При по-високи температури непрекъснатото движение на атомите лесно нарушава деликатните квантови състояния. Затова и други експерименти, при които е постигната квантова кохерентност при стайна температура, се смятат за важна крачка към извеждането на квантовите технологии извън строго контролираната лабораторна среда.
Ключът към работата на новия материал при стайна температура е в преместването на фокуса от електроните и атомите към фотоните – квантовите частици на светлината. Така учените успяват да избегнат част от смущенията, които топлината обикновено предизвиква на атомно ниво.
Използването на фотони е част от по-широка посока в развитието на квантовите технологии. Вече се разработват и мащабируеми фотонни квантови компютри, способни да работят при стайна температура, при които светлината служи едновременно като носител и средство за обработване на квантова информация.
Какво представлява плазмоничният метакристал
Новият материал е известен като плазмоничен метакристал. Определението „плазмоничен“ идва от факта, че светлината, която се разпространява по златната му повърхност, предизвиква колективни трептения на електроните, наречени плазмони. „Метакристал“ означава, че структурата е създадена изкуствено и притежава свойства, които не се срещат в този вид в природата.
Миниатюрните прорези в материала действат като изкуствени атоми, наричани метаатоми. Именно тяхната форма и подредба определят по какъв начин различните групи фотони преминават през структурата и как се променя квантовото им поведение.
В експеримента, описан в Nature, златният слой е с дебелина само 110 нанометра. Метакристалът съдържа 100 наноантени, всяка с приблизителни размери 200 на 400 нанометра, а разстоянието между центровете на съседните структури е 1 микрометър. При подобни мащаби геометрията, ориентацията и разположението на метаатомите могат пряко да влияят върху квантовите статистически характеристики на светлината.
„Като проектираме разпределението на метаатомите в плазмоничния метакристал, можем целенасочено да определяме кои квантови статистически характеристики да бъдат пропускани през структурата“, обяснява физикът Райли Докинс.
„Така нашият кристал на практика действа като статистически филтър за квантовите състояния.“
Микроскопичните прорези в златния слой действат като филтри за светлината. (You et al., Nature, 2026)
Филтър за различните квантови състояния на светлината
Когато светлината навлезе в чипа и започне да се движи по златната повърхност, метаатомите направляват нейното поведение. Чрез промени в размера, формата и разстоянието между прорезите учените могат да постигат различни резултати на квантово ниво.
На практика това означава, че определени квантови състояния на светлината могат да бъдат пренасяни по-устойчиво и с по-малко смущения.
„Наричаме това устойчив пренос. Тези квантови състояния носят информация“, казва физикът Омар Маганя-Лоайза.
„Нашият кристал може да ги разпознава и да ги пренася надеждно от една точка до друга, без да е необходимо криогенно охлаждане. Именно това отваря пътя към практически приложими квантови технологии.“
За разлика от обикновените оптични филтри, които разделят светлината според нейната дължина на вълната или цвят, метакристалът реагира на статистическите свойства и кохерентността на многофотонните полета. Така някои квантови състояния могат да преминат през него почти без промяна, докато други биват потискани или преобразувани.
По-надежден пренос на квантова информация
Новият подход би могъл да се използва за надеждно пренасяне на квантова информация, без да са необходими свръхниски температури. Откритието все още се намира на ранен етап и представлява доказателство за работеща концепция, а не готово технологично устройство. Въпреки това то показва, че фундаменталният научен принцип е надежден.
Способността да се запазват и прехвърлят квантови състояния е от ключово значение за бъдещите комуникационни мрежи. В тази област значителен напредък отбелязват и експериментите с квантова телепортация между фотони, създадени от независими светлинни източници. При този процес не се преместват самите частици, а квантовото им състояние и информацията, която то носи.
„Един от най-вълнуващите моменти в проекта настъпи, когато осъзнахме, че можем да създадем материал, способен на нещо, което природата не ни предоставя в готов вид“, казва физикът Чънлун Ю.
„Да видим, че той работи точно както бяхме предвидили, беше изключително удовлетворяващо.“
Модел за създаването на нови материали
Според изследователите използваният метод може да бъде приложен и при разработването на други материали. Проучването предлага своеобразен модел, който други научни екипи могат да следват, като променят размера и разстоянието между прорезите, за да настройват свойствата на кристала и начина, по който той обработва светлината.
Това е особено важно, защото поведението на метакристала не зависи единствено от веществото, от което е изграден. Решаваща роля има предварително проектираната геометрия на микроскопичните му елементи. По този начин част от оптичните и квантовите свойства на материала могат да бъдат заложени още при неговото конструиране.
Самата светлина има квантова природа. Различните видове светлина – от лазерната до ултравиолетовата – се отличават със свои специфични характеристики. Макар квантово поведение при стайна температура да е наблюдавано и преди, това е първата демонстрация на подобен ефект в усъвършенстван чип, който може да сортира светлината по този начин.
От квантовите компютри до квантовия интернет
В по-широк план необичайните свойства на квантовите материали могат да намерят приложение в изчислителните технологии, комуникациите – включително бъдещия квантов интернет – и енергетиката. Една от възможните посоки е използването им за по-пълноценно преобразуване на слънчевата светлина в електрическа енергия.
Квантовият интернет няма да бъде просто по-бърза версия на днешната мрежа. Целта му е да свързва квантови устройства и памети чрез явления като квантовото заплитане и преноса на квантови състояния. Едно от най-големите предизвикателства остава запазването на изключително чувствителната квантова информация при преминаването ѝ през реални материали и комуникационни канали.
Следващата цел: по-ефективно използване на слънчевата светлина
Следващото приложение, което учените планират да проучат, е свързано със слънчевите клетки. Те ще използват новия плазмоничен метакристал, за да направляват по-ефективно постъпващата светлина и да ограничат енергията, която се губи под формата на топлина.
Частичната кохерентност на реалните светлинни източници може да предизвиква интерференционни ефекти и локално задържане на светлината в поглъщащите слоеве на фотоволтаичните клетки. В такива случаи част от оптичната енергия се превръща в нежелана топлина, вместо в електричество. Възможността да се контролират статистическите свойства на светлината предлага нов подход за намаляването на тези загуби.
Усилията за по-пълноценно използване на слънчевото излъчване се развиват в различни посоки – от материали, които управляват светлината на квантово ниво, до прозрачни слънчеви панели, вградени в прозорци и стъклени фасади. Макар тези технологии да решават различни инженерни задачи, те преследват обща цел: да бъде използвана по-голяма част от светлината, която иначе би останала неоползотворена или би се превърнала в топлина.
Не само нов материал, но и теория за неговото управление
„За мен това не беше просто проект, а общо усилие, обединено около идеята да създадем нещо напълно ново в областта на квантовите технологии“, казва физикът Джанатул Фердус.
„Истински вълнуващото беше, че не само създадохме нов клас квантов материал, работещ при стайна температура, но и разработихме теория, чрез която можем да разбираме и контролираме неговото поведение.“
Именно съчетанието между практическия експеримент и теоретичния модел придава допълнителна тежест на резултатите. Изследването не представя само работещ образец, а формулира принципи, въз основа на които в бъдеще могат да бъдат създавани и други структури с предварително зададени квантови характеристики.
Изследването е публикувано в научното списание Nature.
