Új kvantumanyagok születhetnek a vákuum átalakításával

Sokan még ma is úgy gondolnak a vákuumra, mint a teljes üresség birodalmára, pedig a modern kvantumfizika szerint ez távol áll a valóságtól. A látszólag üres térben folyamatosan zajlanak úgynevezett vákuumfluktuációk: virtuális fotonok jönnek létre és tűnnek el pillanatok alatt, képesek kölcsönhatásba lépni az anyaggal, sőt, új fizikai tulajdonságokat is létrehozhatnak.

A Rice Egyetem kutatói és partnereik most ezt a jelenséget használták ki egy forradalmian új optikai üreg megalkotására, amely képes irányítottan manipulálni ezeket a vákuumingadozásokat. Ez a technológia nem csupán látványos mérnöki bravúr, hanem új utakat is nyithat a kvantumanyagok és kvantumeszközök fejlesztésében — számolt be a phys.org.

Jobbra forgó fény, balra forgó fluktuáció

Az optikai üregekben — egymással szemben álló tükrökből álló szerkezetekben — régóta használják a fény vákuumtérben tapasztalható fluktuációinak felerősítését, ám eddig ez mindkét irányú körpolarizált fényre egyformán történt. A Rice Egyetem kutatócsoportja, Junichiro Kono vezetésével azonban olyan üreget tervezett, amely csak az egyik irányú körpolarizált fényt — vagyis az egyik kéz szabálya szerint forgó fényt — erősíti. Ezt a chirális, vagyis irányfüggő viselkedést eddig kizárólag erős mágneses tér segítségével lehetett elérni, amely azonban gyakran zavarta a benne elhelyezett anyagokat.

Az új konstrukció kulcsa a kis mértékben szennyezett indium-antimonid félvezető anyag, amelyet egy fotonikus kristályüregbe építettek be. Ez az anyag sajátos elektromos tulajdonságainak köszönhetően lehetővé tette, hogy minimális mágneses térrel is elérjék a kívánt vákuumfluktuációs irányítottságot, ezzel gyakorlatilag forradalmasítva a chirális üregek tervezését.

„Célunk az volt, hogy a szükséges mágneses teret minimálisra csökkentsük, vagy akár teljesen el is hagyjuk” – mondta Fuyang Tay, a tanulmány vezető szerzője.

Graphenből kvantumszigetelő

A kutatók következő lépésként azt vizsgálták, hogyan változtatná meg ez a speciális üreg egy adott anyag tulajdonságait. Ehhez grafént választottak: a méltán híres, egyrétegű szénatom-rácsot, amely kivételes elektromos és mechanikai tulajdonságairól ismert. A grafén önmagában vezető anyag, ám a kutatók klasszikus és kvantum modellekkel is megjósolták, hogy az új chirális üregben egy sávnyílás (band gap) jelenik meg benne, amely topológiai szigetelővé változtatja.

Ez a különleges állapot ideális alapanyag lehet jövőbeli kvantumszámítógépes eszközökhöz, hiszen az ilyen anyagok a kvantuminformáció biztonságos tárolására és továbbítására alkalmasak. „Ez a hibrid modellezési módszer — amely egyszerre ötvözi a klasszikus elektromágneses szimulációt, a sűrűségfunkcionál elméletet és az üregkvantum-elektrodinamikai modellt — sokkal pontosabb előrejelzéseket tett lehetővé” — hangsúlyozta Ceren Dag, a kutatásban részt vevő elméleti fizikus.

Kvantumanyag-mérnökség vákuumformázással

Az új üregtechnológia legnagyobb ígérete abban rejlik, hogy külső extrém körülmények nélkül, pusztán a vákuumfluktuációk manipulálásával lehet megváltoztatni az anyagok tulajdonságait. Ez egy teljesen új szemlélet a kvantumanyagok mérnöki tervezésében.

„Eddig csak extrém mágneses terek vagy más szélsőséges beavatkozások segítségével tudtunk anyagokat átalakítani. Most azonban elég, ha elhelyezzük őket egy megfelelően kialakított üregben” — foglalta össze Kono professzor. A kutatás ráadásul nem áll meg a grafénnál. A kutatócsoport szerint a kidolgozott keretrendszer bármilyen más anyagra alkalmazható lehet, amelyet egy chirális üregbe helyeznek. „Az általunk létrehozott alapmodell új terepet nyit a kvantumanyagok tervezésében: a vákuum formázásával” — tette hozzá Vasil Rokaj, a tanulmány társszerzője.

Érdekesség, hogy a vákuumfluktuációk kvantummechanikai jelenségét már Heisenberg és Dirac is sejtette a XX. század elején, de gyakorlati alkalmazásuk csak az utóbbi évtizedekben vált lehetségessé. Az első, kísérletileg is észlelt vákuumfluktuációkat az 1940-es években figyelték meg a Casimir-effektus során, amikor két lemez között kimutatható erő lépett fel a vákuumfluktuációk hatására. Most pedig már ott tart a tudomány, hogy ezekből a láthatatlan kvantumingadozásokból kvantumeszközök és új anyagok születhetnek.