Según un estudio reciente publicado en la revista Nature, un equipo de investigación de la Universidad Estatal de Luisiana (LSU) en Estados Unidos ha desarrollado con éxito el primer material cuántico del mundo que puede funcionar en un ambiente a temperatura ambiente. Este material puede identificar con precisión la luz en diferentes estados cuánticos y desviarla y transmitirla de manera estable a lo largo de diferentes caminos. Este resultado revolucionario no sólo crea una nueva estrategia de diseño de materiales cuánticos, sino que también allana el camino para futuras aplicaciones prácticas en campos como la computación cuántica, las comunicaciones de seguridad de la información, la detección de alta sensibilidad y las energías renovables.
En la investigación científica cuántica tradicional, la mayoría de los materiales cuánticos deben exhibir propiedades cuánticas especiales en un entorno de temperatura extremadamente baja cercana al cero absoluto. Las violentas vibraciones de los átomos causadas por los efectos térmicos a temperatura ambiente pueden destruir fácilmente los frágiles efectos cuánticos, por lo que normalmente es necesario depender de grandes y costosos sistemas de refrigeración de nitrógeno líquido o helio líquido. Este cuello de botella técnico dificulta seriamente la entrada de la tecnología cuántica en el laboratorio y en la vida diaria.
Para superar este problema, el equipo de investigación abandonó el camino tradicional de encontrar materiales naturales en la naturaleza y adoptó la idea de "construir desde cero". Los investigadores cubrieron una película de oro muy delgada sobre la superficie del chip de vidrio y utilizaron tecnología de haz de iones enfocado para cortar con precisión cientos de microaberturas en la película de oro. Estas aberturas desempeñan funcionalmente el papel de "átomos artificiales" (o superatomos), y juntas forman un "metacristal plasmónico estadístico cuántico" que es menos grueso que un cabello humano y no existe en la naturaleza.
Cuando la luz incide en el chip y se propaga sobre la superficie de la película de oro, los investigadores pueden lograr un control refinado de los fotones controlando con precisión el tamaño, la geometría y la disposición espaciada de los superátomos. A diferencia de los dispositivos anteriores que sólo pueden dividir la luz según la longitud de onda o el brillo, este supercristal puede identificar directamente las pequeñas diferencias estadísticas cuánticas entre fotones y guiar automáticamente diferentes estados cuánticos a diferentes rutas de transmisión como un "filtro estadístico".
Más importante aún, el material logra un "transporte robusto" a temperatura ambiente, es decir, el estado cuántico puede mantener su información central y su coherencia cuántica durante el proceso de transmisión, y no será fácilmente atenuado por el ruido térmico ambiental.
El equipo de investigación señaló que la importancia de este logro radica no sólo en la creación de una muestra de material de alto rendimiento, sino también en el establecimiento de un marco de diseño de materiales cuántico escalable. Al cambiar la disposición de los superatomos, los investigadores pueden personalizar artificialmente la "banda de energía estadística cuántica" del material, tal como diseñan la banda de energía de un semiconductor, y luego decidir qué estados cuánticos pueden pasar o sufrir conversiones específicas según sea necesario.
De cara al futuro, se espera que este tipo de material cuántico que no requiere enfriamiento criogénico simplifique en gran medida la estructura interna de las computadoras cuánticas y reduzca el costo de construcción de las redes de comunicación cuánticas. Además, el equipo de investigación también planea aplicar este material a campos de energía limpia, como las células solares, guiando con precisión la luz para reducir la pérdida de energía luminosa convertida en energía térmica inútil, mejorando así eficazmente la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares.