Dünner als ein Haar: Goldener 'Metakristall' sortiert Quantenlicht bei Raumtemperatur

Fast jedes jemals entdeckte Quantenmaterial muss nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, bevor es funktioniert – die Schwingungen warmer Atome zerstören die fragilen Quanteneffekte, die Forschende nutzen wollen. Physiker der Louisiana State University haben nun das erste Quantenmaterial gebaut, das bei Raumtemperatur arbeitet – publiziert in Nature.

Das Team um den außerordentlichen Professor Omar S. Magaña-Loaiza konstruierte das Material von Grund auf, statt in der Natur nach einem zu suchen. Es brachte einen dünnen Goldfilm auf einen Glaschip auf und schnitt mit fokussierten Ionenstrahlen Hunderte mikroskopisch kleiner Schlitze hinein; jeder Schlitz wirkt als künstliches Atom, ein Meta-Atom. Zusammen bilden diese Meta-Atome einen „quantenstatistischen plasmonischen Metakristall“ – dünner als ein menschliches Haar.

Das Ergebnis ist ein passiver optischer Filter, der die Quantenstatistik des einfallenden Lichts liest – die subtilen, fluktuierenden Unterschiede zwischen den Photonen von Sonnenlicht, Laserlicht und anderen Quellen – und verschiedene Quantenzustände entlang getrennter Pfade durch den Kristall leitet, wobei die getragene Information erhalten bleibt. Bislang erforderte die Unterscheidung dieser Zustände komplexe Geräte, kryogen gekühlte Detektoren und Millionen einzelner Messungen.

„Durch die Gestaltung der Meta-Atom-Verteilung können wir systematisch festlegen, welche Quantenstatistiken passieren dürfen. Unser Kristall wirkt im Wesentlichen als statistischer Filter für Quantenzustände“, sagt Mitautor Riley B. Dawkins, heute bei NIST. Das Material erzeugt zudem „quantenstatistische Bänder“ – das photonische Pendant zu den elektronischen Bandstrukturen, die bestimmen, wie Strom durch Halbleiter fließt – und gibt Designerinnen und Designern einen vorhersagbaren Weg, zu steuern, welche Zustände unverändert passieren.

Da es keine sperrige Kühlung braucht, könnte der Metakristall Quantencomputer, sichere Kommunikationssysteme und hochempfindliche Detektoren von Laborapparaturen zu praktischen Geräten schrumpfen lassen. Als Nächstes will das Team den Metakristall in Solarzellen einbauen, wo das Führen von Licht entlang stabiler Pfade Energieverluste verhindern und den Anteil des in Strom umgewandelten Sonnenlichts erhöhen könnte.