一片刻有數百個微觀結構的金薄膜，如同濾波器般將不同量子態的光導向不同路徑——無需液氦冷卻。
量子材料有望重塑計算、安全通訊和感測技術。然而，迄今發現的幾乎所有量子材料都只能在接近絕對零度的低溫下運作。熱能引起的原子振動會破壞研究人員需要控制的脆弱量子效應，迫使他們依賴龐大且昂貴的低溫系統。
路易斯安那州立大學的物理學家現在創造出首個在室溫下運作、能夠識別並傳輸不同量子態光的量子材料。這項發表於《自然》期刊的突破，解決了量子材料研究中最重大的障礙之一。
研究團隊沒有在自然界尋找具備所需特性的物質，而是從零開始工程設計。他們在玻璃晶片上放置一層薄金，然後用聚焦離子束在金屬上切割出數百個微觀狹縫。每個狹縫功能如同一個人工原子，即「超原子」。這些超原子共同構成了一個自然界中不存在的晶體——比人類頭髮還薄。
當光抵達晶片時，它與工程設計的超原子相互作用。通過精確調整這些結構的大小、形狀和間距，研究人員獲得了在量子層面上控制材料對光反應的能力。
光並非總是以相同方式表現。陽光、雷射光和螢光都由光子組成，但它們的光子波動和相互作用方式不同。迄今為止，識別這些差異需要複雜的設備、冷卻到極低溫度的探測器以及數百萬次測量。
新的超晶體能自主完成分類過程。它檢測入射光中微妙的量子差異，並將不同的量子態沿晶體內的不同路徑導向。有些量子態在經過時其統計特性幾乎不受影響——這些特性正是區分不同量子態的關鍵標誌。
物理學家將這種共享的量子行為稱為「相干性」。維持相干性是量子信息科學中最困難的問題之一，因為普通的環境相互作用會迅速破壞它。
在室溫下運作使超晶體的應用超越了基礎物理學。類似的材料有朝一日可在量子計算機內攜帶脆弱的量子信息，而無需龐大的冷卻系統。減少或消除低溫冷卻可使量子設備更小、更便宜、更易於部署。
相同的設計原則也可應用於實用量子通訊網絡、高靈敏度傳感器和其他正在發展中的量子技術。該材料引導光線且損耗較小的能力，還有助於太陽能電池將更多入射陽光轉化為電能。
團隊為他們的發明創造了一個新術語：量子統計等離子體超晶體。更重要的是，他們建立了一套可被用於創造全新量子材料家族的通用設計策略。科學家不再完全依賴於尋找具有有用特性的天然物質，而是可以設計以可控方式引導量子態的材料。