Een klein goudkristal, dunner dan een mensenhaar, heeft bereikt wat geen natuurlijk materiaal eerder kon: het sorteren en transporteren van verschillende quantumtoestanden van licht bij kamertemperatuur. Deze doorbraak, gerapporteerd in Nature door onderzoekers van Louisiana State University in de Verenigde Staten, zou quantumtechnologie kunnen bevrijden van de omvangrijke, extreem koude koelsystemen die het lang beperkt hebben gehouden tot gespecialiseerde laboratoria.
Een materiaal dat de hitte negeert
Bijna elk quantummateriaal dat tot nu toe is ontdekt, moet worden gekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Bij gewone temperaturen zorgen warmte ervoor dat atomen trillen, en die trillingen vernietigen de delicate quantumeffecten die wetenschappers nodig hebben. Het onderdrukken van deze beweging vereist doorgaans grote cryogene systemen, waardoor quantumapparaten onpraktisch zijn voor dagelijks gebruik.
Het LSU-team, geleid door universitair hoofddocent Omar S. Magaña-Loaiza, ontwikkelde een materiaal dat dit probleem volledig omzeilt. Ze begonnen met een dunne goudfilm op een glazen chip en gebruikten gefocusseerde ionenbundels om honderden microscopische spleten in de film te snijden. Elke spleet werkt als een kunstmatig atoom, of meta-atoom. Samen vormen deze meta-atomen een structuur die zich gedraagt als een kristal, maar een die niet in de natuur voorkomt.
Een filter voor quantumlicht
Wanneer licht de chip raakt, reist het over het gouden oppervlak en interageert het met de ontworpen meta-atomen. Door de grootte, vorm en afstand van de spleten aan te passen, kregen de onderzoekers nauwkeurige controle over hoe het materiaal verschillende quantumtoestanden van licht verwerkt. Het metakristal fungeert als een filter, dat elk type quantumlicht langs zijn eigen pad stuurt terwijl de informatie die het draagt behouden blijft.
Chenglong You, een voormalig postdoctoraal onderzoeker nu aan de University of Electronic Science and Technology of China, zei dat het meest opwindende moment kwam toen het materiaal precies deed wat de theorie voorspelde. "Zien dat het precies werkte zoals we voorspelden, was ongelooflijk belonend," zei hij.
Een blauwdruk voor toekomstige quantumapparaten
Naast het demonstreren van een enkel nieuw materiaal, vestigt de studie een ontwerpstrategie die kan worden gebruikt om een hele familie van quantummaterialen op kamertemperatuur te creëren. Dergelijke materialen zouden uiteindelijk quantumcomputers, beveiligde communicatiesystemen, geavanceerde sensoren en nieuwe energietechnologieën kunnen ondersteunen.
De vooruitgang pakt een van de belangrijkste barrières in quantummateriaalonderzoek aan. Hoewel het werk nog in een vroeg stadium is, biedt het een praktisch pad naar quantumapparaten die werken onder alledaagse omstandigheden, zonder diepvries.
