دانشمندان برای نخستین‌بار از اتم‌های طلا ماده کوانتومی دمای اتاق ساختند

مواد کوانتومی معمولاً خواص عجیب و جذابی دارند که می‌توانند قوانین فیزیک را به چالش بکشند، اما برای کارکردن به دمای نزدیک به صفر مطلق (چند درجه بالای منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد) نیاز دارند. این نیاز، استفاده از آن‌ها را در دنیای واقعی بسیار دشوار و گران‌قیمت می‌کند. اما اکنون، تیمی از فیزیکدانان به رهبری دانشگاه ایالتی لوئیزیانا، با ساخت ماده‌ای جدید گامی بلند در جهت رفع این مشکل برداشته‌اند.

راز موفقیت ماده ابداعی در این است که به جای سروکله‌زدن با اتم‌ها و الکترون‌ها (که با گرما به هم می‌ریزند)، مستقیماً با نور (فوتون‌ها) کار می‌کند؛ زیرا نور برخلاف اتم‌ها، از گرما تأثیر نمی‌پذیرد. این ماده از لایه‌ی نازک طلا روی تکه‌ای شیشه ساخته شده که روی آن، طرح‌های بسیار ریز و میکروسکوپی حک شده است. این طرح‌های ریز که «متا-اتم» نام دارند، مثل کریستال ساختگی عمل و چگونگی عبور نور از میانشان را کنترل می‌کنند.

وقتی نور وارد تراشه می‌شود، با متا-اتم‌ها برخورد می‌کند و دستکاری می‌شود. این دستکاری باعث می‌شود ماده بتواند بین انواع مختلف نور (که هر کدام خواص کوانتومی خاص خود را دارند) تمایز قائل شود و برخی را عبور دهد و برخی را مسدود کند. به بیان ساده‌تر، این ماده مانند فیلتر عمل می‌کند که براساس «آمار کوانتومی» نور، آن را فیلتر می‌کند، نه براساس رنگ یا جهت آن. آمار کوانتومی به نحوه‌ی توزیع فوتون‌ها در یک پرتو نور اشاره دارد و مشخص می‌کند که آیا نور شبیه به لیزر یا نور معمولی است یا نوعی نور عجیب و غریب کوانتومی.

به گزارش ساینس‌آلرت، پژوهشگران با دقیق‌کردن اندازه، شکل و فاصله‌ی شکاف‌های میکروسکوپی روی لایه‌ی طلا، موفق شدند «خط‌های عبور و ممنوعیت» را برای نور ایجاد کنند. این ایده شبیه به نوارهای انرژی در نیمه‌رساناهاست؛ در آن‌جا نیز الکترون‌ها فقط اجازه دارند در برخی محدوده‌های انرژی خاص حرکت کنند و از برخی محدوده‌ها عبور نمی‌کنند.

در ماده‌ی جدید هم اگر نوری با ویژگی‌های کوانتومی مشخص (مثل نور لیزر) وارد شود که در «نوار مجاز» قرار بگیرد، بدون هیچ تغییری از آن عبور می‌کند. اما اگر نوری با ویژگی‌های آماری متفاوت (مثل نور معمولی لامپ) به «نوار ممنوع» برخورد کند، ماده آن را طوری تغییر می‌دهد که به نزدیک‌ترین حالت مجاز تبدیل شود.

مهم‌تر اینکه، این ماده توانست ویژگی‌های کوانتومی نور را در طول مسیر حفظ کند؛ یعنی اطلاعاتی که نور حمل می‌کرد، از بین نرفت. این قابلیت برای فناوری‌های کوانتومی بسیار حیاتی است؛ زیرا حالت‌های کوانتومی مثل حباب‌های صابون هستند و به راحتی با کوچک‌ترین تماسی از بین می‌روند.

کشف جدید می‌تواند تأثیرات گسترده‌ای در چند حوزه داشته باشد:

• رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی: این رایانه‌ها از نور برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند و به دستکاری دقیق حالت‌های کوانتومی نیاز دارند. این ماده می‌تواند به ساخت قطعاتی کمک کند که این کار را به طور مؤثرتری انجام می‌دهند.
• ارتباطات کوانتومی و اینترنت کوانتومی: انتقال اطلاعات کوانتومی به صورت ایمن و بدون نیاز به سرمایش می‌تواند با استفاده از این فناوری ممکن شود.
• انرژی خورشیدی: محققان قصد دارند از این ماده برای بهبود جذب نور در پنل‌های خورشیدی استفاده کنند. با هدایت بهتر نور و کاهش اتلاف آن به صورت گرما، می‌توان بازدهی سلول‌های خورشیدی را افزایش داد.
• دستگاه‌های اپتوالکترونیکی: این رویکرد می‌تواند به ساخت دستگاه‌های جدیدی منجر شود که از همدوسی کوانتومی در شرایط عادی استفاده می‌کنند.

عمر ماگانیا-لویزا، فیزیکدان پروژه، می‌گوید: «ما به این ویژگی «حمل‌ونقل مقاوم» می‌گوییم. این حالت‌های کوانتومی درست مثل بسته‌های اطلاعاتی هستند و کریستال ما می‌تواند آن‌ها را تشخیص دهد و بدون اینکه اطلاعات از بین برود، از جایی به جای دیگر بفرستد. همه‌ی این کار هم بدون نیاز به خنک‌کاری شدید انجام می‌شود. دقیقاً همین ویژگی است که راه را برای ساخت فناوری‌های کوانتومی کاربردی در دنیای واقعی باز می‌کند.»

گرچه پژوهش در مراحل اولیه است و برای کاربردهای عملی به کار بیشتری نیاز دارد، نقشه‌ی راهی را برای ساخت موادی ارائه می‌دهد که می‌توانند رفتارهای کوانتومی را در دمای اتاق کنترل کنند؛ کاری که قبلاً فقط در دمای نزدیک به صفر مطلق امکان‌پذیر بود.

پژوهش در ژورنال Nature منتشر شده است.