Laut einer kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie ist es einem Forschungsteam der Louisiana State University (LSU) in den USA gelungen, das weltweit erste Quantenmaterial zu entwickeln, das in einer Umgebung bei Raumtemperatur funktionieren kann. Dieses Material kann Licht in verschiedenen Quantenzuständen genau identifizieren und es auf verschiedenen Wegen parallel leiten und stabil übertragen. Dieses bahnbrechende Ergebnis schafft nicht nur eine neue Designstrategie für Quantenmaterialien, sondern ebnet auch den Weg für zukünftige praktische Anwendungen in Bereichen wie Quantencomputer, Informationssicherheitskommunikation, hochempfindliche Erkennung und erneuerbare Energien.

In der traditionellen quantenwissenschaftlichen Forschung müssen die meisten Quantenmaterialien in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt besondere Quanteneigenschaften aufweisen. Die heftigen Schwingungen von Atomen, die durch thermische Effekte bei Raumtemperatur verursacht werden, können fragile Quanteneffekte leicht zerstören. Daher ist es normalerweise erforderlich, auf große und teure Kühlsysteme für flüssigen Stickstoff oder flüssiges Helium zurückzugreifen. Dieser technische Engpass verhindert ernsthaft, dass die Quantentechnologie im Labor Einzug in den Alltag hält.

Um dieses Problem zu überwinden, verließ das Forschungsteam den traditionellen Weg, natürliche Materialien in der Natur zu finden, und übernahm stattdessen die Idee des „Bauens von Grund auf“. Die Forscher beschichteten die Oberfläche des Glaschips mit einem sehr dünnen Goldfilm und schnitten mithilfe der fokussierten Ionenstrahltechnologie präzise Hunderte von Mikroöffnungen in den Goldfilm. Diese Öffnungen spielen funktionell die Rolle von „künstlichen Atomen“ (oder Superatomen) und bilden zusammen einen „quantenstatistischen plasmonischen Metakristall“, der weniger dick als ein menschliches Haar ist und in der Natur nicht vorkommt.

Wenn Licht auf den Chip trifft und sich auf der Oberfläche des Goldfilms ausbreitet, können Forscher eine verfeinerte Kontrolle der Photonen erreichen, indem sie die Größe, Geometrie und Anordnungsabstände der Superatome präzise steuern. Im Gegensatz zu früheren Geräten, die Licht nur nach Wellenlänge oder Helligkeit aufteilen können, kann dieser Superkristall die winzigen quantenstatistischen Unterschiede zwischen Photonen direkt identifizieren und verschiedene Quantenzustände wie ein „statistischer Filter“ automatisch auf unterschiedliche Übertragungswege leiten.

Noch wichtiger ist, dass das Material bei Raumtemperatur einen „robusten Transport“ erreicht, das heißt, der Quantenzustand kann seine Kerninformation und Quantenkohärenz während des Übertragungsprozesses beibehalten und wird nicht so leicht durch thermisches Umgebungsrauschen gedämpft.

Das Forschungsteam wies darauf hin, dass die Bedeutung dieser Errungenschaft nicht nur in der Schaffung einer Hochleistungsmaterialprobe liegt, sondern auch in der Etablierung eines skalierbaren Quantenmaterialdesign-Frameworks. Durch die Änderung der Anordnung von Superatomen können Forscher das „quantenstatistische Energieband“ des Materials künstlich anpassen, genau wie das Energieband eines Halbleiters, und dann entscheiden, welche Quantenzustände nach Bedarf passieren oder bestimmte Umwandlungen durchlaufen dürfen.

Mit Blick auf die Zukunft wird erwartet, dass diese Art von Quantenmaterial, das keine kryogene Kühlung erfordert, die interne Struktur von Quantencomputern erheblich vereinfachen und die Baukosten von Quantenkommunikationsnetzwerken senken wird. Darüber hinaus plant das Forschungsteam, dieses Material auch auf saubere Energiefelder wie Solarzellen anzuwenden, indem es Licht präzise leitet, um den Verlust von Lichtenergie, die in nutzlose Wärmeenergie umgewandelt wird, zu reduzieren und so die photoelektrische Umwandlungseffizienz von Solarzellen effektiv zu verbessern.