北京
量子材料长期以来面临一个关键问题：大多数材料只有在接近绝对零度的低温环境下才能展现特殊量子性质。
美国路易斯安那州立大学（LSU）物理学家开发出了首个可在室温环境下工作的量子材料，能够区分不同量子态的光，并将其沿不同路径进行分流与传输，为量子计算、安全通信、传感技术和先进能源系统的实用化打开了新的大门。
该研究由LSU物理学副教授奥马尔 ·S· 马加尼亚-洛艾萨（Omar S. Magaña-Loaiza）领导。研究团队表示，这项成果不仅创造了一种全新的室温量子材料，还提出了一种设计量子材料的方法，未来可能应用于量子计算、安全通信、传感技术以及能源系统。
传统量子材料通常需要依赖低温制冷设备，因为室温下热运动引起的原子振动会干扰研究人员希望控制的量子效应。为了避免这种影响，相关实验往往需要大型低温制冷系统，使许多量子材料仍停留在实验室研究阶段。
此次研究中，团队没有寻找自然界中已有的材料，而是通过人工方式设计了一种新结构。他们先在玻璃芯片表面覆盖一层薄金膜，再利用聚焦离子束技术在金膜上加工数百个微米级的开口。
这些结构被研究人员称为“超原子”（meta-atom）。大量超原子按照特定方式排列后，形成了一种自然界不存在的新型晶体结构，其厚度甚至小于人类头发直径。
当光进入芯片后，会沿着金属表面传播，并与这些超原子发生相互作用。研究人员通过调整超原子的尺寸、形状以及排列间距，实现了对光量子状态的控制。
研究人员表示，这种结构可以作为量子状态的“统计过滤器”，能够决定哪些量子统计特性可以通过材料传播。
不同光源产生的光具有不同量子特征。例如，太阳光、激光以及荧光灯产生的光虽然都由光子组成，但光子的波动方式和相互作用存在差异。这些细微区别会影响光在量子层面的行为。
过去，识别这些差异通常需要复杂仪器、低温探测器以及数百万次测量。而此次研发的超晶体能够自动完成区分，不仅可以识别光的波长和亮度之外的量子差异，还能让不同量子态沿不同路径传播。
研究团队将这种能力称为“稳定传输”（robust transport）。马加尼亚-洛艾萨表示，这些量子态携带信息，新材料能够区分它们，并在无需低温制冷的情况下实现稳定传输，为实际量子技术应用提供可能。
由于该材料具有与传统材料完全不同的特性，研究人员为其提出了新的名称 ——“量子统计等离激元超晶体”（quantum statistical plasmonic metacrystal）。
研究团队还发现，这种超晶体能够形成所谓“量子统计能带”，类似于半导体中决定电子运动方式的电子能带结构。通过改变超原子的排列方式，研究人员可以控制哪些量子态能够保持原有特征通过材料，哪些量子态会发生统计变化。
研究人员认为，这项工作提供了一种设计新型量子材料的通用框架，而不仅仅是实现了一种特定材料。
由于该材料无需极低温环境，其潜在应用范围也从基础物理研究扩展到实际技术领域。未来类似材料可能用于量子计算机中的量子信息传输，减少对大型低温制冷设备的依赖，也可能推动更实用的量子通信网络和高灵敏度传感器发展。
此外，研究人员还计划探索该材料在太阳能领域的应用。目前，太阳能电池中的部分入射光会被材料吸收并转化为热量，而不是转化为电能，从而限制能源利用效率。
马加尼亚-洛艾萨团队下一步计划将这种超晶体集成到太阳能电池中，测试其是否能够提高太阳光转换为电能的比例。研究团队希望验证这一基础量子物理成果是否能够进一步应用于下一代太阳能技术。
来源：IT之家
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