دانشمندان موفق به ساخت مادهای شدهاند که خواص کوانتومی شگفتانگیز خود را در دمای اتاق حفظ میکند. این کشف میتواند راه را برای نسل جدیدی از فناوریهای کوانتومی هموار کند، بدون نیاز به سیستمهای خنککننده پیچیده و پرهزینه.
مواد کوانتومی با قابلیتهای خارقالعاده خود، همواره مورد توجه دانشمندان بودهاند، اما شکنندگی آنها و نیاز به دماهای بسیار پایین، کاربرد عملی آنها را محدود کرده است. اکنون، گروهی از پژوهشگران دانشگاه ایالتی لوئیزیانا با معرفی یک ماده جدید، این مانع بزرگ را برداشتهاند.
این ماده جدید که در مقاله منتشر شده در مجله Nature شرح داده شده است، از یک لایه نازک طلا بر روی تراشه شیشهای تشکیل شده که با الگوهای میکروسکوپی حکاکی شده است. کلید دستیابی به عملکرد کوانتومی در دمای اتاق، تمرکز بر روی فوتونها (ذرات نور) به جای الکترونها و اتمهاست. این رویکرد، اختلالات ناشی از گرما در سطح اتمی را که معمولاً خواص کوانتومی را مختل میکند، برطرف میسازد.
این ماده به عنوان یک «متاکریستال پلاسمونیک» شناخته میشود. «پلاسمونیک» به دلیل ایجاد امواج الکترونی (پلاسمون) هنگام عبور نور از سطح آن است، و «متاکریستال» به دلیل ساختار کریستالی مصنوعی آن. الگوهای شکافمانند کوچک حک شده بر روی ماده، مانند «فرااتمهای» مصنوعی عمل کرده و نحوه عبور گروههای مختلف فوتونها را تعیین میکنند؛ این همان رفتار کوانتومی مورد نظر است.
با مهندسی دقیق توزیع این فرااتمها، دانشمندان میتوانند مشخص کنند که کدام آمار کوانتومی مجاز به عبور از ساختار هستند. به عبارت دیگر، این کریستال به عنوان یک فیلتر آماری برای حالتهای کوانتومی عمل میکند.
این بدان معناست که نور ورودی به تراشه، هنگام عبور از سطح طلا، توسط فرااتمها دستکاری میشود. با تغییر اندازه، شکل و فاصله این شکافها، میتوان نتایج متفاوتی در سطح کوانتومی به دست آورد. در عمل، این امکان را فراهم میکند که حالتهای کوانتومی خاص نور با حداقل اختلال منتقل شوند.
این «انتقال پایدار» حالتهای کوانتومی که حامل اطلاعات هستند، بدون نیاز به سرمایش کرایوژنیک (بسیار سرد) امکانپذیر میشود. این دستاورد، درهای جدیدی را به سوی فناوریهای کوانتومی کاربردی باز میکند.
به عنوان مثال، این فناوری میتواند در انتقال مطمئن اطلاعات کوانتومی بدون نیاز به دماهای بسیار پایین مورد استفاده قرار گیرد. اگرچه این کشف هنوز در مراحل اولیه و اثبات مفهوم قرار دارد، اما علم بنیادی پشت آن کاملاً اثبات شده است.
یکی از هیجانانگیزترین جنبههای این پروژه، توانایی ساخت مادهای بود که کاری را انجام میدهد که طبیعت به تنهایی قادر به انجام آن نیست. مشاهده عملکرد دقیق پیشبینی شده، پاداش فوقالعادهای برای پژوهشگران بود.
این روشها میتوانند فراتر از این ماده خاص نیز گسترش یابند. این مطالعه به عنوان یک نقشه راه برای تیمهای دیگر عمل میکند تا با تنظیم اندازه و فاصله شکافها، خواص کریستال و نحوه پردازش نور را تغییر دهند.
نور خود ماهیت کوانتومی دارد و انواع مختلف آن (از نور لیزر گرفته تا نور فرابنفش) خواص متفاوتی دارند. در حالی که رفتار مواد کوانتومی در دمای اتاق قبلاً مشاهده شده بود، این اولین نمایش از آن در یک تراشه پیشرفته مرتبسازی نور مانند این است.
به طور کلی، رفتار غیرمتعارف مواد کوانتومی در حوزههایی مانند محاسبات، ارتباطات (از جمله اینترنت کوانتومی) و انرژی (مثلاً در برداشت مؤثرتر انرژی خورشیدی از طریق پنلهای خورشیدی) کاربرد خواهد داشت.
پژوهشگران قصد دارند در مرحله بعد، این ماده پلاسمونیک متاکریستال جدید را برای هدایت بهتر نور ورودی و کاهش اتلاف انرژی به صورت گرما در سلولهای خورشیدی مورد بررسی قرار دهند.
این پروژه نه تنها یک ماده کوانتومی جدید در دمای اتاق خلق کرد، بلکه نظریهای برای درک و کنترل رفتار آن نیز توسعه داد که آن را به تلاشی جمعی و هیجانانگیز تبدیل کرده است.
