De acordo com um estudo recente publicado na revista Nature, uma equipe de pesquisa da Louisiana State University (LSU), nos Estados Unidos, desenvolveu com sucesso o primeiro material quântico do mundo que pode funcionar em um ambiente à temperatura ambiente. Este material pode identificar com precisão a luz em diferentes estados quânticos e desviá-la e transmiti-la de forma estável ao longo de diferentes caminhos. Este resultado inovador não apenas cria uma nova estratégia de design de materiais quânticos, mas também abre caminho para futuras aplicações práticas em áreas como computação quântica, comunicações de segurança da informação, detecção de alta sensibilidade e energia renovável.

Na pesquisa científica quântica tradicional, a maioria dos materiais quânticos deve exibir propriedades quânticas especiais em um ambiente de temperatura extremamente baixa, próximo do zero absoluto. As vibrações violentas dos átomos causadas por efeitos térmicos à temperatura ambiente podem facilmente destruir efeitos quânticos frágeis, por isso geralmente é necessário contar com grandes e caros sistemas de refrigeração de nitrogênio líquido ou hélio líquido. Este gargalo técnico impede seriamente que a tecnologia quântica entre no laboratório e na vida diária.

Para ultrapassar este problema, a equipa de investigação abandonou o caminho tradicional de encontrar materiais naturais na natureza e adoptou a ideia de “construir do zero”. Os pesquisadores revestiram uma película de ouro muito fina na superfície do chip de vidro e usaram tecnologia de feixe de íons focado para cortar com precisão centenas de microaberturas na película de ouro. Essas aberturas desempenham funcionalmente o papel de "átomos artificiais" (ou superátomos) e, juntas, formam um "metacristal plasmônico estatístico quântico" que é menos espesso que um fio de cabelo humano e não existe na natureza.

Quando a luz atinge o chip e se propaga na superfície do filme de ouro, os pesquisadores podem obter um controle refinado dos fótons controlando com precisão o tamanho, a geometria e o espaçamento dos superátomos. Ao contrário dos dispositivos anteriores que só podem dividir a luz de acordo com o comprimento de onda ou brilho, este supercristal pode identificar diretamente as pequenas diferenças estatísticas quânticas entre os fótons e guiar automaticamente diferentes estados quânticos para diferentes caminhos de transmissão, como um "filtro estatístico".

Mais importante ainda, o material atinge "transporte robusto" à temperatura ambiente, ou seja, o estado quântico pode manter a informação central e a coerência quântica durante o processo de transmissão e não será facilmente atenuado pelo ruído térmico ambiental.

A equipe de pesquisa destacou que a importância dessa conquista reside não apenas na criação de uma amostra de material de alto desempenho, mas também no estabelecimento de uma estrutura escalável de design de materiais quânticos. Ao alterar o arranjo dos superátomos, os pesquisadores podem personalizar artificialmente a “banda de energia estatística quântica” do material, assim como projetar a banda de energia de um semicondutor, e então decidir quais estados quânticos podem passar ou sofrer conversões específicas conforme necessário.

Olhando para o futuro, espera-se que este tipo de material quântico que não requer resfriamento criogênico simplifique bastante a estrutura interna dos computadores quânticos e reduza o custo de construção de redes de comunicação quântica. Além disso, a equipe de pesquisa também planeja aplicar este material em campos de energia limpa, como células solares, guiando com precisão a luz para reduzir a perda de energia luminosa convertida em energia térmica inútil, melhorando assim efetivamente a eficiência de conversão fotoelétrica das células solares.