Материалы в квантовом состоянии обладают экзотическими свойствами, которые нарушают законы физики и открывают огромные возможности для ученых, но, как правило, они невероятно хрупкие и требуют сверхнизких температур для своего существования и функционирования.
Это создает проблему, когда речь идет о максимально эффективном использовании этих материалов и их характеристик: их необходимо вывезти из больших лабораторных холодильников.
Мы сделали еще один шаг к тому, чтобы это стало возможным.
Исследователи из Университета штата Луизиана разработали материал, способный демонстрировать квантовые аномалии при комнатной температуре. Он состоит из тонкой пленки золота на стеклянном чипе, на котором выгравированы микроскопические узоры.
Статья, посвященная этой работе, опубликована в журнале Nature .
Ключевым фактором, обеспечивающим работу нового материала при комнатной температуре, является то, как он смещает фокус с электронов и атомов на фотоны (частицы света). Это позволяет преодолеть обычное нарушение на атомном уровне, которое вызывает нагрев.
Этот материал известен как плазмонный метакристалл: «плазмонный» потому, что проходящий по нему свет вызывает волны электронов, известные как плазмоны, а «метакристалл» потому, что это искусственно созданный кристалл.
Крошечные щелевые узоры, вытравленные в материале, действуют как искусственные атомы (метаатомы), которые определяют, как различные группы фотонов проходят через них (квантовое поведение).
«Благодаря целенаправленному изменению распределения метаатомов в плазмонном метакристалле мы можем систематически определять, какие квантовые статистические данные могут проходить через структуру», — говорит физик Райли Докинз.
«Таким образом, наш кристалл, по сути, действует как статистический фильтр для квантовых состояний».
Это означает, что когда свет попадает в чип и проходит по золотой поверхности, он подвергается воздействию метаатомов, и, изменяя размер, форму и расстояние между щелями, можно получить различные конечные результаты на квантовом уровне.
На практике это означает, что определённые квантовые состояния света могут передаваться с меньшими нарушениями.
«Мы называем это устойчивым переносом. Эти квантовые состояния несут информацию», — говорит физик Омар Маганья-Лоайса.
«Наш кристалл способен различать их и перемещать из одной точки в другую надежным способом, не требуя криогенного охлаждения. Именно это открывает двери для практических квантовых технологий».
Это можно использовать, например, для надежной передачи квантовой информации без использования сверхнизких температур. Это пока лишь раннее, экспериментальное открытие, но оно показывает, что фундаментальная научная основа этого метода верна.
«Одним из самых захватывающих моментов этого проекта стало осознание того, что мы можем создать материал, который делает то, чего природа сама по себе не может обеспечить», — говорит физик Ченглонг Ю.
«Было невероятно приятно увидеть, как всё работает именно так, как мы и предсказывали».
Как утверждают исследователи, использованные здесь методы могут быть распространены и за пределы этого конкретного материала. Их исследование служит образцом, которому могут следовать другие группы ученых, корректируя размер и расстояние между щелями по мере необходимости для изменения свойств кристалла и способов обработки света.
Свет сам по себе является квантовым: разные типы света (от лазерного до ультрафиолетового) обладают разными свойствами. Хотя квантовое поведение материалов при комнатной температуре наблюдалось и раньше, это первая демонстрация его в таком усовершенствованном чипе для сортировки света.
В более общем смысле, нетрадиционное поведение квантовых материалов обещает найти применение в вычислительной технике, связи (включая квантовый интернет) и энергетике — например, в извлечении большего количества энергии из солнечного света с помощью солнечных панелей.
Следующим направлением исследований исследователей станет изучение угла наклона солнечных элементов. Для этого они планируют использовать свой новый плазмонный метакристалл, чтобы лучше направлять поступающий свет и уменьшать его потери в виде тепла.
По теме: Свет обычно ускоряет процессы. Ученые только что зафиксировали обратное явление в наномире.
«Для меня это был не просто проект — это была коллективная работа, построенная вокруг идеи создания чего-то совершенно нового в квантовых технологиях», — говорит физик Джаннатул Фердоус.
«По-настоящему захватывающим было то, что мы не только создавали новый класс квантовых материалов, работающих при комнатной температуре, но и разрабатывали теорию для понимания и управления их поведением».
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature .
Данная статья была проверена на достоверность фактами Ребеккой Дайер и отредактирована Майклом Ирвингом. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы обнаружите ошибку, пожалуйста, сообщите нам.
Статьи ScienceAlert пишутся, проверяются на достоверность и редактируются людьми, никогда не создаются искусственным интеллектом. Не пропустите ни одной статьи, подпишитесь здесь.
Новости по теме
-
Древнеримский бетон становится все прочнее, и секрет этого явления скрывался в туалете Адриана, которому 2000 лет.
-
Свет обычно ускоряет процессы. Но учёные в наномире зафиксировали обратное явление.
-
Каждый кадр фильма о чёрной дыре — это машина времени, и физики считают, что мы слишком упрощаем ситуацию.