Naukowcy z LSU stworzyli materiał kwantowy działający w temperaturze pokojowej z cienkiej warstwy złota

Pełny tekst

Materiały kwantowe stanowią szeroką i bardzo aktywną dziedzinę fizyki i inżynierii materiałowej. Są to substancje, w których zachowanie elektronów i innych cząstek jest zdominowane przez efekty kwantowe , a nie przez klasyczną fizykę. Prowadzi to do niezwykłych, czasem „nienaturalnie” wyglądających właściwości, jak nadprzewodnictwo, czyli przewodzenie prądu bez oporu. Do materiałów kwantowych należą także izolatory topologiczne czy materiały dwuwymiarowe jak grafen. Zwykle takie materiały funkcjonują tylko w bardzo niskich temperaturach , blisko zera absolutnego, co znacząco utrudnia ich praktyczne zastosowanie poza laboratorium.

Cienka warstwa złota na szklanym chipie

I właśnie w tym miejscu na arenę wchodzą naukowcy z Louisiana State University, którzy opracowali materiał kwantowy działający w temperaturze pokojowej. Składa się z cienkiej warstwy złota na szklanym chipie z wytrawionymi mikroskopijnymi wzorami.

Jak to się stało, że z temperatur kriogenicznych (poniżej -150°C, czyli 123 K, aż do zera absolutnego, czyli -273,15°C, czyli 0 K), w których funkcjonują znane materiały kwantowe, udało się przeskoczyć do temperatury pokojowej? Kluczowy okazał się pomysł, by zamiast elektronów i atomów wykorzystać fotony . Dzięki temu unika się typowych zakłóceń cieplnych na poziomie atomowym.

Stworzony przez badaczy z Luizjany materiał to tzw. metakryształ plazmoniczny . Plazmoniczny, bo światło poruszające się po jego powierzchni wzbudza fale elektronowe zwane plazmonami. Metakryształ, bo to sztucznie stworzona struktura krystaliczna. Wytrawione w materiale mikroskopijne szczeliny działają jak sztuczne atomy (metaatomy), które decydują, jakie grupy fotonów mogą przez nie przechodzić. To one sterują kwantowym zachowaniem całej struktury.

Filtr statystyczny dla stanów kwantowych

Jak wyjaśnia fizyk Riley Dawkins, odpowiednio projektując rozmieszczenie metaatomów, można systematycznie kontrolować, jakie statystyki kwantowe przenikają przez materiał. Działa on więc jak filtr statystyczny dla stanów kwantowych . Metaatomy modyfikują właściwości światła przemieszczającego się po powierzchni złota . Zmiana ich rozmiaru, kształtu i odstępów daje różne efekty kwantowe, pozwalając przesyłać wybrane stany kwantowe światła z mniejszymi zakłóceniami.

– Nazywamy to transportem odpornym na zakłócenia . Te stany kwantowe przenoszą informacje. Nasz kryształ potrafi je rozróżniać i niezawodnie przenosić z jednego punktu do drugiego bez konieczności stosowania chłodzenia kriogenicznego. To właśnie otwiera drogę do praktycznych technologii kwantowych – wyjaśnia fizyk Omar Magaña-Loaiza.

Materiał, dla którego natura nie ma odpowiednika

Artykuł opisujący badania opublikowano w połowie lipca na łamach „Nature”. Oczywiście nowy materiał jest wciąż wczesną demonstracją koncepcji , ale potwierdza słuszność leżących u jej podstaw zasad. – Ekscytujące było stworzenie materiału wykonującego zadanie, dla którego natura nie ma odpowiednika i zobaczenie, że działa zgodnie z przewidywaniami – powiedział fizyk Chenglong You.

Naukowcy podkreślają, że ich metoda to swego rodzaju wzorzec dla innych zespołów. Zmieniając wielkość szczelin i odstępy między nimi, można dowolnie kształtować właściwości kryształu. To pierwsza tak zaawansowana demonstracja zachowań kwantowych w temperaturze pokojowej w układzie służącym do rozdzielania światła.

Do czego może być przydatny materiał kwantowy pracujący w temperaturze pokojowej? W szerszej perspektywie odkrycie może mieć znaczenie dla informatyki, komunikacji (internet kwantowy) i energetyki – np. zwiększenia wydajności paneli słonecznych. To właśnie zastosowanie w fotowoltaice naukowcy chcą zbadać jako kolejne, dążąc do lepszego kierowania światłem i ograniczenia strat energii w postaci ciepła.

Źródło: Nature

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i pisarka zajmującą się tematyką popularnonaukową, głównie kosmosem. Absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, przygodę z mediami rozpoczęła ponad 20 lat temu w redakcji „Życia Warszawy”. Poza pisaniem o polskiej i światowej nauce na łamach „National Geographic” współpracuje m.in. z „Wysokimi Obcasami” i kilkoma magazynami premium. Współautorka trzech bestsellerowych książek: „Człowiek – istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Pracuje w Centrum Badań Kosmicznych PAN i współpracuje z polskim Obserwatorium Cerro Murphy w Chile (OCM), którym zarządza CAMK PAN.