这颗微小的金晶体，或将让量子技术告别“深度冷冻”

传统量子材料大多只能在接近绝对零度时工作；在常温下，原子热振动会破坏脆弱的量子效应。为了抑制这种振动，通常要使用大型低温制冷设备，导致量子材料虽然能在实验室完成奇特任务，却难以低成本应用到现实设备中。
现在，路易斯安那州立大学（LSU）物理学家研制出第一种能在室温工作的量子材料，可以识别并传输不同量子态的光。相关结果发表在《自然》。研究由物理系副教授 Omar S. Magaña-Loaiza 主导；团队不仅做出一种新材料，还提出了一种更广泛的设计策略，可用于创造全新量子材料家族。未来这类材料可能支持量子计算机、高安全通信系统、先进传感器和新能源技术。前博士后、现电子科技大学教授 Chenglong You 表示，最让人兴奋的是这种不寻常设计完全符合理论预测，说明人们能够制造出自然界本身不会提供的材料。
研究团队没有寻找自然界已有物质，而是从零开始人工构造量子晶体。他们先在玻璃芯片上镀一层薄金，再用聚焦离子束在金属上刻出数百个极小狭缝；每个狭缝像一个人工原子或超原子。这些超原子共同形成一种自然界中不存在、也比头发丝更薄的晶体。当光到达芯片时，它会沿金表面传播，并与人工设计的超原子相互作用；通过精确调节尺寸、形状和间距，研究人员能够控制材料对光的响应。这实现了此前未曾在室温下完成的光操纵。Riley B. Dawkins 表示，他最近完成博士学业，并将进入美国国家标准与技术研究院（NIST）做博士后；他说，通过安排等离子体超晶体中超原子分布，可以系统决定哪些量子统计特性能够通过结构，因此晶体本质上是对量子态进行筛选的统计滤波器。LSU的量子光子学团队完成了理论、材料设计、纳米加工和实验测试。
这项工作的价值不仅在于材料本身，更在于它能对光的不同量子态进行分类。阳光、激光和荧光都由光子组成，但光子波动和相互作用方式不同，因此量子行为不同。过去要识别这些差异，通常需要复杂设备、极低温探测器以及数百万次测量。新超晶体可以自动完成分拣：它不只响应颜色或强度，还能检测入射光中的微妙量子差异，并把不同量子态引导到不同路径。某些量子态可以沿这些路径通过材料，同时统计特征改变较少；这些统计特征正是区分量子态的标志。Magaña-Loaiza 称其为稳健传输，因为量子态携带信息，晶体可在不冷却情况下可靠区分和转移它们，为实用量子技术打开大门。物理学家把这种共享量子行为称为量子相干；它与环境的相互作用很容易破坏相干，因此保持相干是量子信息科学的重要难题。《自然》论文称这种超晶体是第一种对许多粒子共同保持的量子相干天然敏感的室温量子材料。
由于这种材料与常规量子材料差别很大，研究人员给它命名为量子统计等离激元超晶体。研究生 Jannatul Ferdous 表示，这不是单纯项目，而是围绕创造全新量子技术展开的集体努力；团队不仅创建了一种室温量子材料新类别，还发展了理解并控制其行为的理论，把想法变成实验现实非常有意义。团队还发现，超晶体会自然形成量子统计能带。它类似半导体中的电子能带控制电流，但控制的是光量子态的运动和统计行为。通过改变超原子排列，研究人员可选择哪些量子态不改变地通过、哪些会发生统计变化。这种控制意味着量子材料开发不再必须依赖自然界已有物质，而可以主动设计材料，以可预测方式引导量子态，提供未来构建多种量子材料的通用蓝图。
在应用方面，室温工作使其超越基础物理。类似材料未来可能在量子计算机内部传输脆弱的量子信息，无需庞大冷却系统；减少低温需求可让设备更小、更便宜、更易部署。同一设计原则也可能推动更实用的量子通信网络、高灵敏度传感器和其他量子技术。材料以较少损失引导光，也可能助力可再生能源。现代太阳能电池不能把全部阳光转化为电，一部分光会被困在材料中变成热，降低可用能量。超晶体若能让光走更稳定路径，可减少损失，使更多光参与发电。团队下一步计划把超晶体整合到太阳能电池中，检验它能否提高阳光转为可用电能的比例。若成功，将说明基础量子物理突破可直接推动下一代太阳能技术。研究得到美国能源部基础能源科学局材料科学与工程部门 Award DE-SC0021069 资助。