Kuantum hallerindeki malzemeler, fizik yasalarını esneten ve bilim insanları için büyük potansiyel sunan egzotik özelliklere sahiptir. Ancak bu malzemeler genellikle oldukça hassastır ve varlıklarını sürdürmeleri ile işlev görmeleri için aşırı düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyarlar. Bu durum, bu malzemelerin ve özelliklerinin tam olarak kullanılabilmesi önünde önemli bir engel teşkil eder; zira laboratuvarlardaki büyük soğutuculardan çıkmaları gerekmektedir.
Şimdi bu duruma bir adım daha yaklaşıldı.
Louisiana Eyalet Üniversitesi'nden araştırmacılar, oda sıcaklığında kuantum tuhaflıklarını sergileyebilen bir malzeme geliştirdi. Bu malzeme, mikroskobik desenlerle işlenmiş cam bir çip üzerinde ince bir altın filmden oluşuyor.
Bu çalışmaya dair önemli bir makale Nature dergisinde yayımlandı.
Yeni malzemenin oda sıcaklığında çalışmasının temelinde, odağı elektronlar ve atomlardan ışık parçacıkları olan fotonlara kaydırması yatıyor. Bu sayede, ısının beraberinde getirdiği atomik düzeydeki bozunmaların önüne geçiliyor.
Malzemenin yapısı, plazmonik bir metasistem olarak tanımlanıyor. 'Plazmonik' özelliği, üzerindeki ışığın elektronlarda dalgalanmalar yaratarak plazmonlar adı verilen titreşimler oluşturmasından kaynaklanıyor. 'Metasistem' ise yapay olarak oluşturulmuş bir kristal olduğunu belirtiyor.
Malzemeye kazınan minik yarık desenleri, farklı foton gruplarının nasıl geçtiğini (kuantum davranışını) belirleyen yapay atomlar (meta-atomlar) görevi görüyor.
Fizikçi Riley Dawkins, "Plazmonik metasistemdeki meta-atomların dağılımını tasarlayarak, hangi kuantum istatistiklerinin yapıdan geçebileceğini sistematik olarak belirleyebiliyoruz," diyor. "Yani kristalimiz temel olarak kuantum durumları üzerinde bir istatistiksel filtre görevi görüyor."
Bu, ışık çipe girdiğinde ve altın yüzeyde ilerlediğinde, meta-atomlar tarafından manipüle edildiği anlamına geliyor. Yarıkların boyutunu, şeklini ve aralığını ayarlayarak kuantum düzeyinde farklı sonuçlar elde edilebiliyor.
Pratikte bu, belirli kuantum ışık durumlarının daha az kesintiyle taşınabileceği anlamına geliyor.
Fizikçi Omar Magaña-Loaiza, "Buna sağlam taşıma diyoruz. Bu kuantum durumları bilgiyi taşır," diye ekliyor. "Kristalimiz, bunları ayırt edebilir ve kriyonik soğutma gerektirmeden sağlam bir şekilde bir noktadan diğerine taşıyabilir. İşte bu da pratik kuantum teknolojilerinin kapısını aralıyor."
Bu teknoloji, örneğin kuantum bilgilerinin güvenilir bir şekilde ve aşırı soğuk sıcaklıklara gerek kalmadan taşınması gibi alanlarda kullanılabilir. Bu çalışma erken bir konsept kanıtı niteliğinde olsa da, temel bilimin sağlam olduğunu gösteriyor.
Fizikçi Chenglong You, "Bu projenin en heyecan verici yanlarından biri, doğanın kendi başına sağlamadığı bir şeyi yapabilecek bir malzeme inşa edebileceğimizi fark etmekti," ifadelerini kullanıyor. "Öngördüğümüz gibi çalıştığını görmek inanılmaz derecede ödüllendiriciydi."
Araştırmacılar, burada kullanılan yöntemlerin bu malzemeyle sınırlı olmadığını, diğer ekiplerin de yarıkların boyutunu ve aralığını ayarlayarak kristalin özelliklerini ve ışığın işlenmesini değiştirebilecekleri bir yol haritası sunduğunu belirtiyorlar.
Işık kendi başına kuantum özelliğine sahiptir: Farklı ışık türlerinin (lazer ışığından ultraviyole ışığa kadar) farklı özellikleri vardır. Oda sıcaklığında kuantum malzeme davranışı daha önce görülmüş olsa da, bu, bu tür gelişmiş bir ışık ayırıcı çipte ilk kez gösterilmiş oluyor.
Daha genel olarak, kuantum malzemelerin alışılmadık davranışları bilgisayar teknolojisi, iletişim (kuantum internet dahil) ve enerji alanlarında faydalı vaat ediyor. Örneğin, güneş panelleri aracılığıyla güneş ışığından daha fazla güç elde etmek gibi.
Araştırmacılar, yeni plazmonik metasistemlerini kullanarak gelen ışığı daha iyi yönlendirmek ve ısı olarak daha az kayıp yaşamak için güneş hücresi alanını bir sonraki adımları olarak planlıyorlar.
Fizikçi Jannatul Ferdous, "Benim için bu sadece bir proje değil, kuantum teknolojisinde tamamen yeni bir şey yaratma fikri etrafında inşa edilmiş kolektif bir çabaydı," diyor. "Bunu gerçekten heyecan verici kılan şey, sadece yeni bir oda sıcaklığında çalışan kuantum malzemesi sınıfı yaratmakla kalmayıp, aynı zamanda davranışını anlama ve kontrol etme teorisini geliştirmemizdi."
Bu araştırmanın bulguları Nature dergisinde yayımlandı.
