Υλικά που βρίσκονται σε κβαντική κατάσταση διαθέτουν ασυνήθιστες ιδιότητες που αψηφούν τους γνωστούς νόμους της φυσικής και προσφέρουν μεγάλο πεδίο έρευνας στους επιστήμονες. Συνήθως όμως είναι εξαιρετικά ευαίσθητα και χρειάζονται υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες για να υπάρξουν και να λειτουργήσουν.
Αυτό δημιουργεί ένα πρόβλημα όταν πρόκειται να αξιοποιηθούν στο μέγιστο οι ιδιότητες και οι δυνατότητές τους, αφού πρέπει να βγουν από τα μεγάλα ψυγεία των εργαστηρίων.
Τώρα, ένα ακόμη βήμα προς αυτή την κατεύθυνση έγινε πραγματικότητα.
Ερευνητές του Louisiana State University ανέπτυξαν ένα υλικό που μπορεί να δείξει κβαντική συμπεριφορά σε θερμοκρασία δωματίου. Πρόκειται για ένα λεπτό φιλμ χρυσού πάνω σε γυάλινο τσιπ, στο οποίο έχουν χαραχθεί μικροσκοπικά μοτίβα.
Η σχετική μελέτη δημοσιεύτηκε στο Nature.
Καθοριστικό στοιχείο για τη λειτουργία του νέου υλικού σε θερμοκρασία δωματίου είναι ότι μετατοπίζει το ενδιαφέρον από τα ηλεκτρόνια και τα άτομα στα φωτόνια, τα σωματίδια του φωτός. Με αυτόν τον τρόπο ξεπερνά τη συνηθισμένη διαταραχή σε ατομικό επίπεδο που φέρνει η θερμότητα.
Το υλικό είναι αυτό που αποκαλείται plasmonic metacrystal: «plasmonic», επειδή το φως που κινείται πάνω του δημιουργεί κυματισμούς ηλεκτρονίων γνωστούς ως plasmons, και «metacrystal», επειδή πρόκειται για ένα τεχνητά κατασκευασμένο κρυσταλλικό σύστημα.
Τα μικροσκοπικά μοτίβα σχισμών που έχουν χαραχθεί στο υλικό λειτουργούν ως τεχνητά άτομα, τα λεγόμενα meta-atoms, και καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο διαφορετικές ομάδες φωτονίων περνούν μέσα από αυτό, δηλαδή τη συμπεριφορά του σε κβαντικό επίπεδο.
«Με τη μηχανική διαμόρφωση της κατανομής των meta-atoms στο plasmonic metacrystal, μπορούμε να καθορίσουμε συστηματικά ποια κβαντικά στατιστικά επιτρέπεται να περάσουν μέσα από τη δομή», λέει ο φυσικός Riley Dawkins.
«Έτσι, ο κρύσταλλός μας λειτουργεί ουσιαστικά ως φίλτρο στατιστικών για κβαντικές καταστάσεις».
Αυτό σημαίνει ότι, καθώς το φως εισέρχεται στο τσιπ και κινείται πάνω στην επιφάνεια του χρυσού, επεξεργάζεται από τα meta-atoms. Με την προσαρμογή του μεγέθους, του σχήματος και της απόστασης των σχισμών, μπορούν να προκύψουν διαφορετικά αποτελέσματα σε κβαντικό επίπεδο.
Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι ορισμένες κβαντικές καταστάσεις του φωτός μπορούν να μεταφερθούν με μικρότερη διαταραχή.
«Το ονομάζουμε ανθεκτική μεταφορά. Αυτές οι κβαντικές καταστάσεις μεταφέρουν πληροφορία», λέει ο φυσικός Omar Magaña-Loaiza.
«Ο κρύσταλλός μας μπορεί να τις ξεχωρίσει και να τις μετακινήσει από το ένα σημείο στο άλλο με ανθεκτικό τρόπο, χωρίς να απαιτείται κρυογενής ψύξη. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για πρακτικές κβαντικές τεχνολογίες».
Αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, στη μεταφορά κβαντικής πληροφορίας με αξιοπιστία και χωρίς υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες. Πρόκειται σαφώς για ένα πρώιμο εύρημα, σε επίπεδο proof-of-concept, ωστόσο δείχνει ότι η βασική επιστήμη είναι ορθή.
«Ένα από τα πιο συναρπαστικά στοιχεία αυτού του έργου ήταν ότι καταλάβαμε πως μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα υλικό που κάνει κάτι που η φύση δεν προσφέρει από μόνη της», λέει ο φυσικός Chenglong You.
«Το ότι το είδαμε να λειτουργεί ακριβώς όπως το προβλέψαμε ήταν εξαιρετικά ικανοποιητικό».
Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν εδώ μπορούν να επεκταθούν πέρα από αυτό το συγκεκριμένο υλικό, αναφέρουν οι ερευνητές. Η μελέτη τους λειτουργεί ως οδηγός που μπορούν να ακολουθήσουν και άλλες ομάδες, προσαρμόζοντας το μέγεθος και την απόσταση των σχισμών, ώστε να τροποποιούν τις ιδιότητες του κρυστάλλου και τον τρόπο με τον οποίο επεξεργάζεται το φως.
Το φως είναι και το ίδιο κβαντικό: διαφορετικά είδη φωτός, από το laser light έως το ultraviolet light, έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Αν και η κβαντική συμπεριφορά υλικών σε θερμοκρασία δωματίου έχει παρατηρηθεί και στο παρελθόν, αυτή είναι η πρώτη επίδειξη σε ένα τόσο εξελιγμένο τσιπ διαχωρισμού φωτός.
Πιο γενικά, η ασυνήθιστη συμπεριφορά των κβαντικών υλικών θεωρείται πολλά υποσχόμενη για εφαρμογές στην υπολογιστική, στις επικοινωνίες, συμπεριλαμβανομένου του quantum internet, αλλά και στην ενέργεια, για παράδειγμα στην καλύτερη αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσω των solar panels.
Η εφαρμογή στα ηλιακά κύτταρα είναι και το επόμενο πεδίο που σκοπεύουν να μελετήσουν οι ερευνητές, χρησιμοποιώντας το νέο plasmonic metacrystal για να κατευθύνουν καλύτερα το εισερχόμενο φως και να χάνεται λιγότερο ως θερμότητα.
«Για μένα, αυτό δεν ήταν απλώς ένα project. Ήταν μια συλλογική προσπάθεια γύρω από την ιδέα να δημιουργήσουμε κάτι εντελώς νέο στην κβαντική τεχνολογία», λέει η φυσικός Jannatul Ferdous.
«Αυτό που το έκανε πραγματικά συναρπαστικό ήταν ότι δεν δημιουργούσαμε μόνο μια νέα κατηγορία κβαντικού υλικού σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά αναπτύσσαμε και τη θεωρία για να κατανοήσουμε και να ελέγξουμε τη συμπεριφορά του».
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature.
Το άρθρο ελέγχθηκε από τη Rebecca Dyer και επιμελήθηκε ο Michael Irving. Παρότι δίνουμε μεγάλη σημασία στη διαδικασία μας, είμαστε άνθρωποι. Αν εντοπίσετε κάποιο λάθος, ενημερώστε μας.
