Criado primeiro material quântico que funciona à temperatura ambiente

Mecânica quântica a temperatura ambiente

Quando as propriedades e o comportamento de um material são ditados pelas leis da mecânica quântica, diz-se que aquele é um “material quântico”. Acontece que as estranhas propriedades quânticas se manifestam tipicamente próximo do zero absoluto, porque é necessário reduzir ao mínimo qualquer fonte de ruído para que elas se sobressaiam – e o calor é uma fonte de ruído bem incômoda nesses casos.

Mas isto está começando a mudar, conforme acabam de demonstrar Chenglong You e colegas da Universidade do Estado da Louisiana, nos EUA.

A equipe sintetizou o primeiro material que se mantém essencialmente quântico à temperatura ambiente: O material mostrou-se capaz de distinguir e transportar diferentes estados quânticos da luz sem a necessidade de qualquer tipo de resfriamento, superando um dos maiores desafios na pesquisa de materiais fotônicos.

Além disso, a demonstração estabelece um princípio geral de projeto para a engenharia de uma classe inteiramente nova de materiais quânticos, abrindo novas possibilidades para computação quântica, comunicações seguras, tecnologias de sensoriamento e sistemas de  energia avançados.

“Uma das partes mais empolgantes deste projeto foi perceber que podíamos construir um material que faz algo que a natureza não proporciona por si só. Ver que ele funciona exatamente como previmos foi incrivelmente gratificante,” comemorou You.

Em vez de procurar um material natural com as propriedades quânticas desejadas, a equipe projetou um do zero – a partir dos princípios teóricos – e então o sintetizou.

A fabricação propriamente dita começou com a deposição de uma fina camada de ouro sobre uma pastilha de vidro. Feixes de íons focalizados foram então usados para esculpir centenas de fendas microscópicas na camada de ouro. Este é o princípio fundamental da construção dos materiais artificiais, ou metamateriais, onde cada pequena unidade funciona como um átomo artificial, ou meta-átomo. Embora os metamateriais sejam tipicamente capazes de fazer o que nenhum material natural faz, ninguém havia até agora conseguido que eles manifestassem comportamentos de natureza quântica.

Juntos, os meta-átomos formam um cristal sem equivalente natural. À medida que a luz entra no vidro, ela se propaga pela superfície de ouro e interage com esses meta-átomos. Controlando cuidadosamente o tamanho, a forma e o espaçamento dessas unidades básicas, a equipe projetou o material para que ele manipule a luz de maneiras nunca antes alcançadas em temperatura ambiente – e nem por nenhum material natural conhecido.

A estrutura é tão fundamentalmente diferente dos materiais existentes que os pesquisadores tiveram que inventar um novo nome para ela: Metacristal plasmônico estatístico quântico.

“Ao projetar a distribuição dos meta-átomos no metacristal plasmônico, podemos ditar sistematicamente quais estatísticas quânticas podem passar pela estrutura. Assim, nosso cristal atua essencialmente como um filtro estatístico para estados quânticos,” detalhou o pesquisador Riley Dawkins.

Projete seu próprio material quântico

Nem toda luz se comporta da mesma maneira. A luz solar, a luz laser e a luz fluorescente contêm fótons, mas esses fótons flutuam e interagem de maneiras diferentes. Essas diferenças sutis determinam como a luz se comporta em nível quântico, mas identificá-las tradicionalmente exige instrumentos sofisticados, detectores criogênicos e milhões de medições.

O metacristal da equipe faz isso automaticamente. Em vez de responder apenas à cor ou à intensidade de uma onda de luz, ele distingue diferenças sutis entre os diversos tipos de luz incidente e guia cada estado quântico ao longo de um caminho diferente através do cristal. E esses estados quânticos podem transportar informações, que podem ser úteis para qualquer coisa, do sensoriamento de fontes de luz até a computação.

E a inovação vai muito além da criação de um único novo material. Trata-se do que essa técnica torna possível. Ao manipular o arranjo dos meta-átomos, torna-se possível determinar quais estados quânticos podem se mover pelo material sem sofrer alterações e quais são alterados. Com isto, em vez de depender de materiais naturais com propriedades próximas ao desejável para cada aplicação, passa a ser possível projetar intencionalmente materiais que direcionem os estados quânticos desejados de maneiras previsíveis.

Em outras palavras, o estudo fornece um modelo para a criação de futuros materiais quânticos – e não apenas para este usado como demonstração.

Como o material opera à temperatura ambiente, suas aplicações potenciais vão muito além da física fundamental. Futuros computadores quânticos poderão usar materiais semelhantes para transportar informações delicadas sem depender de sistemas de refrigeração criogênica volumosos, as células solares poderão não perder energia na forma de calor, e muito mais.

Bibliografia:

Artigo: Quantum statistical plasmonic metacrystals
Autores: Chenglong You, Riley B. Dawkins, Jannatul Ferdous, Mohammed Mehedi Hasan, Aadi Singh, Ziang Zhuang, Addison Wilberg, Ian Baum, Benjamin Bertoni, Mingyuan Hong, Omar S. Magaña-Loaiza