Kvant materialları yüksək performanslı hesablama, təhlükəsiz rabitə, həssas aşkarlama və enerji istehsalı kimi müxtəlif sahələri yenidən formalaşdıra bilər. Lakin davamlı bir məhdudiyyət onların əksəriyyətinin praktik texnologiyalara çevrilməsinə mane olub.

İndiyə qədər kəşf edilmiş demək olar ki, hər bir kvant materialı yalnız mütləq sıfıra yaxın temperatura qədər soyudulduqda işləyir. Adi temperaturda istilik atomların daim titrəməsinə səbəb olur. Bu titrəmələr tədqiqatçıların nəzarət etmək istədikləri kövrək kvant effektlərini pozur.

Bu hərəkəti yatırmaq üçün adətən böyük kriogen soyutma sistemləri tələb olunur. Nəticədə, kvant materialları diqqətlə idarə olunan laboratoriyalarda əlamətdar işlər görə bilər, lakin real cihazlarda istifadəsi çətin və bahadır.

Otaq Temperaturunda İşləyən Kvant Materialı

LSU fizikləri artıq işığın fərqli kvant vəziyyətlərini müəyyən edə və daşıya bilən ilk otaq temperaturlu kvant materialı yaratdılar. Nature jurnalında bildirilən bu irəliləyiş kvant materialları tədqiqatındakı ən əhəmiyyətli maneələrdən birini aradan qaldırır.

Tədqiqata fizika üzrə dosent Omar S. Maqaña-Loaiza rəhbərlik etmişdir. Tədqiqatçılar tək bir yeni material nümayiş etdirməkdən əlavə, tamamilə yeni bir kvant materialı ailəsi yaratmaq üçün istifadə edilə biləcək daha geniş bir dizayn strategiyası qurdular.

Bu cür materiallar nəticədə kvant kompüterlərini, yüksək təhlükəsiz rabitə sistemlərini, qabaqcıl sensorları və yeni enerji texnologiyalarını dəstəkləyə bilər.

Keçmişdə doktoranturadan sonrakı tədqiqatçı, hazırda Çin Elektron Elmləri və Texnologiyaları Universitetində professor olan Çenqlonq Yu üçün qeyri-adi dizaynın nəzəriyyənin proqnozlaşdırdığı kimi tam olaraq işləməsi xüsusilə məmnunedici bir an idi.

“Bu layihənin ən həyəcanverici hissələrindən biri təbiətin öz-özünə təmin etmədiyi bir şeyi edə bilən bir material yarada biləcəyimizi anlamaq idi. Onun tam olaraq proqnozlaşdırdığımız kimi işlədiyini görmək inanılmaz dərəcədə faydalı idi”, – deyə You bildirib.

Süni Kvant Kristalının Qurulması

LSU komandası təbiətdə lazımi xüsusiyyətlərə malik bir maddə axtarmaq əvəzinə, sıfırdan birini yaratmağı seçdi.

Tədqiqatçılar əvvəlcə şüşə çipinin üzərinə nazik bir qızıl təbəqəsi yerləşdirdilər. Daha sonra onlar fokuslanmış ion şüalarından istifadə edərək metalda yüzlərlə son dərəcə kiçik yarıqlar kəsdilər. Hər bir yarıq süni atom və ya meta-atom kimi fəaliyyət göstərir.

Bu meta-atomlar birlikdə təbii olaraq tapılan heç bir kristala bənzəməyən bir kristal yaradır. Tamamlanmış quruluş həmçinin insan saçından da nazikdir.

İşıq çipə çatdıqda, qızıl səthi boyunca hərəkət edir və hazırlanmış meta-atomlarla qarşılıqlı təsir göstərir. Tədqiqatçılar bu strukturların ölçüsünü, formasını və aralığını dəqiq şəkildə tənzimləməklə materialın işığa necə reaksiya verdiyini nəzarətdə saxlaya biliblər.

Nəticə, əvvəllər otaq temperaturunda əldə edilməmiş bir işıq manipulyasiya forması idi.

“Plazmonik metakristalda meta-atomların paylanmasını mühəndisliklə təmin etməklə, hansı kvant statistikasının strukturdan keçməsinə icazə verildiyini sistematik şəkildə diktə edə bilərik. Beləliklə, kristalımız əsasən kvant vəziyyətləri üzrə statistik filtr rolunu oynayır”, – bu yaxınlarda doktorluq dərəcəsini alan və hazırda Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutuna (NIST) NRC Postdoktoral Tədqiqat Assosiasiyasında işə başlayan Riley B. Dokinz bildirib.

Magaña-Loaiza-nın LSU-dakı Kvant Fotonika Qrupu, ilkin nəzəriyyə, material dizaynı, nanosifarksiya və eksperimental sınaqlar da daxil olmaqla, tədqiqatın hər bir hissəsini tamamladı.

Lakin işin əhəmiyyəti qeyri-adi yeni materialın qurulmasından kənara çıxır. Onun ən böyük dəyəri metakristalın nələr edə biləcəyindədir.

İşığın Müxtəlif Kvant Vəziyyətlərinin Çeşidlənməsi

İşıq həmişə eyni şəkildə hərəkət etmir.

Günəş işığı, lazer işığı və flüoresan işıq hamısı fotonlardan ibarətdir. Lakin, hər bir işıq növündəki fotonlar müxtəlif yollarla dalğalanır və qarşılıqlı təsir göstərir. Bu kiçik dəyişikliklər işığın kvant səviyyəsində necə davrandığına təsir göstərir.

İndiyə qədər bu fərqləri müəyyən etmək üçün ümumiyyətlə mürəkkəb avadanlıqlar, detektorların son dərəcə aşağı temperaturlara qədər soyudulması və milyonlarla fərdi ölçmə tələb olunurdu.

Yeni metakristal çeşidləmə prosesini özü yerinə yetirir. Yalnız rəng və ya intensivlik kimi tanış xüsusiyyətlərə reaksiya vermək əvəzinə, daxil olan işığda incə kvant fərqlərini aşkarlayır.

Daha sonra kristal vasitəsilə ayrı-ayrı yollar boyunca fərqli kvant vəziyyətlərini istiqamətləndirir.

Bu marşrutlar həmçinin müəyyən kvant vəziyyətlərinin materialdan keçməsinə imkan verir və eyni zamanda statistikalarında daha az dəyişiklik baş verir. Bu statistikalar bir kvant vəziyyətini digərindən fərqləndirən müəyyənedici xüsusiyyətlərdir.

Maqana-Loaiza dedi: “Biz buna möhkəm nəqliyyat deyirik. Bu kvant halları məlumat daşıyır. Kristalımız onları ayırd edə və kriogen soyutma tələb etmədən möhkəm bir şəkildə bir nöqtədən digərinə hərəkət etdirə bilər. Məhz bu, praktik kvant texnologiyalarına qapı açır.”

Fiziklər bu ortaq kvant davranışını kvant koherentliyi adlandırırlar. Koherentliyin qorunması kvant informasiya elmində ən çətin problemlərdən biridir, çünki ətraf mühitlə qarşılıqlı təsir onu tez bir zamanda məhv edə bilər.

Nature tədqiqatında komanda metakristalları çoxcisimli sistemlərin kvant koherentliyinə həssas olan ilk otaq temperaturlu kvant materialı kimi təsvir edir.

Kvant Materialının Tamamilə Yeni Bir Sinfi

Material ənənəvi kvant materiallarından o qədər fərqlənir ki, tədqiqatçılar onun üçün yeni bir termin yaratdılar: kvant statistik plazmonik metakristal.

Maqana-Loaizanın qrupunun aspirantı Jannatul Ferdous dedi: “Mənim üçün bu, sadəcə bir layihə deyildi – bu, kvant texnologiyasında tamamilə yeni bir şey yaratmaq ideyası ətrafında qurulmuş kollektiv bir səy idi. Bunu həqiqətən həyəcanlandıran şey, biz yalnız otaq temperaturunda kvant materialının yeni bir sinfini yaratmaqla yanaşı, həm də onun davranışını anlamaq və idarə etmək üçün nəzəriyyəni inkişaf etdirməyimiz idi. Bu ideyanın eksperimental reallığa çevrilməsini görmək inanılmaz dərəcədə faydalı idi.”

Komanda həmçinin metakristalın təbii olaraq kvant statistik zolaqları adlandırdıqları strukturlar yaratdığını aşkar etdi.

Bu zolaqlar, elektrikin yarımkeçiricilərdən necə keçdiyini idarə edən elektron zolaq strukturlarına konsepsiya baxımından bənzəyir. Lakin yeni materialda zolaqlar işığın kvant vəziyyətlərinin hərəkətini və statistik davranışını idarə edir.

Meta-atomların necə düzüldüyünü dəyişdirməklə, tədqiqatçılar hansı kvant vəziyyətlərinin materialdan dəyişmədən keçdiyini və hansı vəziyyətlərin statistik dəyişikliklərə məruz qaldığını seçə bilərlər.

Bu nəzarət səviyyəsi kvant materiallarının necə inkişaf etdirilə biləcəyində böyük bir dəyişikliyi təmsil edir. Alimlər artıq tamamilə faydalı xüsusiyyətlərə malik təbii maddələrin tapılmasına etibar etmək məcburiyyətində deyillər. Bunun əvəzinə, onlar kvant vəziyyətlərini qəsdən və proqnozlaşdırıla bilən şəkildə istiqamətləndirən materiallar dizayn edə bilərlər.

Buna görə də, tapıntılar yalnız bir təcrid olunmuş kəşf təklif etmək əvəzinə, bir çox gələcək kvant materiallarının qurulması üçün ümumi bir plan təqdim edir.

Hesablama və Rabitədə Potensial İstifadələr

Otaq temperaturunda işləmək metakristalın əsas fizika tədqiqatlarından kənar texnologiyalar üçün də aktuallığını artırır.

Oxşar materiallar bir gün nəhəng soyutma sistemləri tələb etmədən kvant kompüterlərinin içərisində kövrək kvant məlumatları daşıya bilər. Kriogen soyutma ehtiyacının aradan qaldırılması və ya azaldılması kvant cihazlarını daha kiçik, daha ucuz və daha asan yerləşdirməyə imkan verə bilər.

Eyni dizayn prinsipləri daha praktik kvant rabitə şəbəkələrinə, yüksək həssas sensorlara və digər inkişaf edən kvant texnologiyalarına da töhfə verə bilər.

Günəş Enerjisi üçün Mümkün Təkan

Materialın işığı daha az itki ilə istiqamətləndirmə qabiliyyəti bərpa olunan enerjidə də mühüm tətbiqlərə malik ola bilər.

Müasir günəş batareyaları daxil olan bütün günəş işığını elektrik enerjisinə çevirmir. İşığın bir hissəsi materialın içərisində qalır və nəticədə istiliyə çevrilir və bu da batareyanın istehsal edə biləcəyi istifadəyə yararlı enerji miqdarını azaldır.

İşığı daha sabit yollar boyunca yönəldən metakristal, bu enerjinin bir hissəsinin itirilməsinin qarşısını almağa kömək edə bilər. Daxil olan işığın daha çox hissəsi elektrikə çevrilmək üçün mövcud qala bilər.

Bu ehtimalı sınaqdan keçirmək komandanın növbəti məqsədidir.

Tədqiqatçılar metakristalları günəş batareyalarına daxil etməyi və onun istifadəyə yararlı elektrik enerjisinə çevrilən günəş işığının payını artıra biləcəyini müəyyən etməyi planlaşdırırlar.

Uğur fundamental kvant fizikasında yaranan bir irəliləyişin birbaşa yeni nəsil günəş enerjisi texnologiyasında irəliləyişlərə necə gətirib çıxara biləcəyini göstərəcək.

Komanda, ABŞ Energetika Nazirliyinin Əsas Enerji Elmləri İdarəsinin Material Elmləri və Mühəndisliyi Bölməsinin DE-SC0021069 Mükafatı çərçivəsində maliyyələşdirməsini qəbul edir.