Os materiais quânticos podem remodelar campos tão diversos como computação de alto desempenho, comunicações seguras, detecção sensível e produção de energia. No entanto, uma limitação persistente impediu que a maioria deles se tornassem tecnologias práticas.
Quase todos os materiais quânticos descobertos até agora só funcionam quando resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto. Em temperaturas normais, os átomos continuam a vibrar devido ao calor. Essas vibrações perturbam os delicados efeitos quânticos que os investigadores querem controlar.
Suprimir esse movimento geralmente requer grandes sistemas de refrigeração criogênica. Como resultado, os materiais quânticos podem desempenhar funções notáveis em laboratórios cuidadosamente controlados, mas são difíceis e caros de usar em dispositivos do mundo real.
Um material quântico que funciona à temperatura ambiente
Os físicos da LSU criaram agora o primeiro material quântico à temperatura ambiente capaz de detectar e transportar diferentes estados quânticos de luz. O progresso, relatado na Nature, aborda um dos obstáculos mais significativos na pesquisa de materiais quânticos.
O estudo foi liderado por Omar S., professor associado de física. Magana-Loaiza fez isso. Além de demonstrar um novo material, os pesquisadores estabeleceram uma estratégia de design abrangente que pode ser usada para criar uma família inteiramente nova de materiais quânticos.
Esses materiais poderão eventualmente suportar computadores quânticos, sistemas de comunicações altamente seguros, sensores avançados e novas tecnologias energéticas.
Para Chenglong Yu, ex-pesquisador de pós-doutorado e agora professor da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica da China, chegou um momento particularmente satisfatório quando o projeto incomum funcionou exatamente como a teoria havia previsto.
“Uma das partes mais emocionantes deste projeto foi perceber que poderíamos criar um material que faz algo que a própria natureza não oferece. Foi incrivelmente gratificante vê-lo funcionar exatamente como previmos”, disse Yu.
Criação de um cristal quântico artificial
Em vez de procurar na natureza uma substância com as propriedades exigidas, a equipe da LSU optou por projetar uma substância a partir do zero.
Os pesquisadores começaram revestindo uma fina camada de ouro em um chip de vidro. Eles então usaram um feixe de íons focado para fazer centenas de buracos extremamente pequenos no metal. Cada fenda atua como um átomo artificial ou metaátomo.
Juntos, esses metaátomos formam um cristal diferente de tudo encontrado naturalmente. Toda a estrutura é mais fina que um fio de cabelo humano.
Quando a luz atinge o chip, ela se move através da superfície do ouro e interage com os metaátomos projetados. Ao ajustar com precisão o tamanho, a forma e o espaçamento dessas estruturas, os pesquisadores ganharam controle sobre como o material respondia à luz.
O resultado foi uma forma de manipulação da luz nunca antes alcançada em temperatura ambiente.
Concluí recentemente meu doutorado. Concluindo o Relay B. Dawkins disse: “Ao projetar a distribuição de metaátomos em um metacristal plasmônico, podemos determinar sistematicamente quais estatísticas quânticas podem passar pela estrutura. Portanto, nosso cristal atua essencialmente como um filtro estatístico nos estados quânticos.” E agora ingressando no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) como NRC Postdoctoral Research Associate.
O grupo de fotônica quântica de Magaña-Loaiza na LSU concluiu todas as partes da pesquisa, incluindo teoria inicial, design de materiais, nanofabricação e testes experimentais.
No entanto, o significado do trabalho vai muito além da criação de um novo material inusitado. Seu maior valor está naquilo que o metacristal pode fazer.
Classificando diferentes estados quânticos da luz
A luz nem sempre se comporta da mesma forma.
A luz solar, a luz laser e a luz fluorescente são todas compostas de fótons. No entanto, os fótons em cada tipo de luz flutuam e interagem de maneiras diferentes. Essas pequenas mudanças afetam o comportamento da luz no nível quântico.
Até agora, a identificação dessas diferenças normalmente exigia instrumentos complexos, detectores resfriados a temperaturas extremamente baixas e milhões de medições individuais.
O novo metacristal realiza o próprio processo de classificação. Em vez de simplesmente reagir a propriedades familiares como cor ou intensidade, detecta diferenças quânticas subtis na luz que chega.
Isso então direciona diferentes estados quânticos para diferentes caminhos através do cristal.
Esses caminhos permitem que certos estados quânticos se movam através do material com poucas alterações em suas estatísticas. Essas estatísticas são as características definidoras que distinguem um estado quântico de outro.
“Chamamos isso de transporte robusto”, disse Magaña-Loaiza. “Esses estados quânticos carregam informações. Nosso cristal pode separá-los e movê-los de um ponto a outro de maneira robusta, sem a necessidade de resfriamento criogênico. Isso abre a porta para tecnologias quânticas práticas.”
Os físicos referem-se a esse comportamento quântico compartilhado como coerência quântica. Manter a coerência é um dos problemas mais difíceis da ciência da informação quântica porque as interações com o ambiente circundante podem destruí-la rapidamente.
Em Natureza No estudo, a equipe descreve os metacristais como os primeiros materiais quânticos à temperatura ambiente que são inerentemente sensíveis à coerência quântica de sistemas de muitos corpos.
Uma classe inteiramente nova de materiais quânticos
Este material é tão diferente dos materiais quânticos tradicionais que os pesquisadores cunharam um novo termo para ele: metacristal plasmônico estatístico quântico.
“Para mim, este não foi apenas um projeto – foi um esforço coletivo construído em torno da ideia de criar algo completamente novo em tecnologia quântica”, disse Jannatul Firdous, estudante de pós-graduação do grupo Magana-Loiza. “O que tornou tudo realmente emocionante foi que não estávamos apenas criando uma nova classe de material quântico à temperatura ambiente, mas também desenvolvendo princípios para compreender e controlar seu comportamento. Foi incrivelmente gratificante ver essa ideia se tornar uma realidade experimental.”
A equipe também descobriu que os metacristais formam naturalmente estruturas que chamam de bandas estatísticas quânticas.
Essas bandas são semelhantes em conceito às estruturas de bandas eletrônicas que controlam como a eletricidade viaja através dos semicondutores. No entanto, no novo material, as bandas controlam o movimento e o comportamento estatístico dos estados quânticos da luz.
Ao alterar a forma como os metaátomos são organizados, os pesquisadores podem selecionar quais estados quânticos passam inalterados pelo material e quais estados sofrem alterações estatísticas.
Este nível de controle representa uma grande mudança na forma como os materiais quânticos podem ser desenvolvidos. Os cientistas já não têm de depender apenas da descoberta de substâncias naturais com propriedades úteis. Em vez disso, eles podem projetar materiais que ditam estados quânticos de forma deliberada e previsível.
As descobertas fornecem, portanto, um plano geral para a criação de muitos materiais quânticos futuros, em vez de oferecer apenas uma descoberta isolada.
Usos potenciais em computação e comunicações
A operação à temperatura ambiente torna os metacristais relevantes para tecnologias além da pesquisa física básica.
Materiais semelhantes poderão um dia transportar informações quânticas delicadas dentro de computadores quânticos, sem a necessidade de enormes sistemas de resfriamento. Remover ou reduzir a necessidade de refrigeração criogênica poderia tornar os dispositivos quânticos menores, mais baratos e mais fáceis de implantar.
Princípios de design semelhantes também podem contribuir para redes de comunicação quântica mais práticas, sensores altamente sensíveis e outras tecnologias quânticas em desenvolvimento.
Potencial impulso à energia solar
A capacidade do material de guiar a luz com baixas perdas também pode ter aplicações importantes em energias renováveis.
As células solares modernas não convertem toda a luz solar que entra em eletricidade. Parte da luz fica presa dentro do material e eventualmente é convertida em calor, reduzindo a quantidade de energia útil produzida pela célula.
Um metacristal que direcione a luz para caminhos mais estáveis poderia ajudar a evitar que parte dessa energia seja dissipada. Mais luz recebida pode estar disponível para conversão em eletricidade.
Testar essa possibilidade é o próximo objetivo da equipe.
Os pesquisadores planejam incorporar o metacristal em células solares e determinar se ele pode aumentar a parcela da luz solar convertida em energia elétrica utilizável.
O sucesso mostrará como um avanço na física quântica fundamental pode levar diretamente a melhorias na próxima geração de tecnologia de energia solar.
A equipe reconhece o financiamento do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais, sob o prêmio DE-SC0021069.
