Tehdä huoneenlämmössä toimivaa kvanttimateriaalia

Kvanttimateriaalit voisivat mullistaa teknologioita tehokkaista tietokoneista ja ultraturvallisista viestintäjärjestelmistä edistyneisiin energiajärjestelmiin. Mutta yksi merkittävä este on ollut olemassa.

Louisiana State Universityn fyysikot ovat nyt kehittäneet ensimmäisen huoneenlämmössä toimivan kvanttimateriaalin, joka kykenee erottamaan ja kuljettamaan valon eri kvanttitiloja.

Auringonvalo, laservalo ja loisteputkivalo sisältävät kaikki fotoneja, mutta niiden fotonit vaihtelevat ja vuorovaikuttavat eri tavoin. Nämä hienovaraiset erot määräävät, miten valo käyttäytyy kvanttitasolla, mutta niiden tunnistaminen on perinteisesti vaatinut kehittyneitä instrumentteja, kryogeenisiä ilmaisimia ja miljoonia mittauksia.

Tiimin kokeellisesti kehittämä metakide tekee sen automaattisesti. Sen sijaan, että se reagoisi vain valoaallon väriin tai intensiteettiin, se erottaa hienovaraiset kvanttierot tulevan valon välillä ja ohjaa kutakin kvanttitilaa eri reiteille kiteen läpi.

Yhtä tärkeää on, että nämä reitit mahdollistavat tiettyjen kvanttitilojen etenemisen materiaalin läpi vähemmillä muutoksilla niiden tilastoissa – ainutlaatuisissa ominaisuuksissa, jotka määrittelevät jokaisen kvanttitilan.

"Kutsumme tätä vankaksi kuljetukseksi", professori Magaña-Loaiza sanoi. "Nämä kvanttitilat kuljettavat informaatiota. Kiteemme pystyy erottamaan ne ja siirtämään niitä pisteestä toiseen vankalla tavalla ilman kryogeenistä jäähdytystä. Se avaa oven käytännön kvanttiteknologioille."

Läpimurto oli niin perustavanlaatuisesti erilainen kuin olemassa olevat materiaalit, että tutkijoiden oli keksittävä sille uusi nimi: kvanttitilastollinen plasmoninen metakide.

Kehittämänsä teorian lisäksi tutkijat havaitsivat, että metakide muodostaa luonnostaan niin sanottuja kvanttitilastollisia kaistoja, jotka ovat analogisia puolijohteiden sähkönjohtavuutta määrittävien elektronisten kaistarakenteiden kanssa.

Tutkijoiden mukaan tutkimus tarjoaa suunnitelman tulevaisuuden kvanttimateriaalien luomiseksi – eikä vain sitä.

Koska materiaali toimii huoneenlämmössä, sen potentiaaliset sovellukset ulottuvat paljon perusfysiikan ulkopuolelle.

Tulevaisuuden kvanttitietokoneet voisivat käyttää samankaltaisia materiaaleja herkän kvantti-informaation siirtämiseen ilman kryogeenisia jäähdytysjärjestelmiä. Samat periaatteet voisivat myös mahdollistaa käytännöllisemmät kvanttiviestintäverkot, ultraherkät anturit ja muut kehittyvät kvanttiteknologiat.

Kyky pitää valo liikkuvana materiaalin läpi vähemmillä häviöillä voisi myös hyödyttää uusiutuvaa energiaa esimerkiksi aurinkokennoissa.

Tiimin seuraava askel onkin integroida metakide aurinkokennoihin ja tutkia, voiko se lisätä auringonvalon muuntamisen käyttökelpoiseksi sähköksi määrää. Onnistuessaan työ osoittaisi, kuinka kvanttifysiikan perusteisiin perustuva löytö voisi suoraan parantaa seuraavan sukupolven aurinkoenergiateknologioita.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttimateriaali lupaa uutta puhtia aurinkokennoille

Magneettinen kvanttimateriaali ja meminduktori

Kvanttimateriaaleja puolijohteiden tilalle