Orosz és német kutatókból álló csapat hozta létre az általuk csak a "világ első kvantum metaanyagaként" nevezett fejlesztést, melyet a jövőben a szupravezető elektromos áramkörök vezérlőelemeként használhatnak.

Mi az a metaanyag?

Ahhoz, hogy megértsük, mi is az a metaanyag, tudni kell, hogy az anyagokra jellemző az elektromos áteresztőképesség (permittivitás) és a mágneses áteresztőképesség (permeabilitás). Ezek pozitív vagy negatív értékeket egyaránt felvehetnek, de korábbi ismereteink szerint nincsen olyan anyag a természetben, melynek esetében mindkét jellemző negatív értékkel rendelkezne. Nemrég azonban kiderült, hogy elméletileg mégis ez lehetséges, az ilyen anyagokat nevezték el metaanyagnak.

A metaanyagok fontos tulajdonsága, hogy fizikai jellemzőiket nem az őket alkotó atomok, hanem az atomok strukturális elhelyezkedése határozza meg. A bevezetőben említett kutatás jegyzetei szerint minden struktúra a néhány száz nanométeres tartományban alakul ki, de saját, egyedi jellegzetességeik azonnal eltűnnek, mihelyst a tudósok megpróbálják az anyagot összetevőire bontani. Ezért hívják ezeket a struktúrákat meta-atomnak, és bármilyen olyan anyagot, ami meta-atomokat tartalmaz, metaanyagnak.

Kvantumszimulátorként használható

Alekszej Usztyinov, az oroszországi Országos Tudományi és Műszaki Egyetem professzorának vezetése alatt folyt a kutatás, melynek során iker-qubitek segítségével felfedezték a metaanyagok létrejöttének folyamatát. Így a meta-atomokat tartalmazó metaanyagok állapota kvantummechanikai eszközökkel leírhatóvá vált.

Egy hagyományos qubit három Josephson-csomópontot tartalmaz; mely két, szupravezető anyagból álló réteg közé helyezett vékony réteg nem-szupravezető anyagból áll. Az iker-qubiteket azonban öt, a központi tengelyre szimmetrikus csomópont alkotja. Ez a rendszer így kvantumszimulátorként használható, olyan eszközként, mely képes anyagok tulajdonságainak megjóslására vagy szimulálására.

Kirill Suga, a projekt társszerzője szerint: „Meglehetősen egyszerű logika áll mögötte. Minél összetettebb a rendszer, annál nagyobb a szabadságfoka és annál több azon tényezőinek száma, melyek befolyásolják tulajdonságait. Az anyagunkat tartalmazó környezet néhány külső paraméterének megváltoztatásával ki- és bekapcsolhatjuk ezeket a tulajdonságokat azáltal, hogy az iker-kubitet átbillentjük egyik állapotból a másikba.”

Tulajdonképpen ez a folyamat vált láthatóvá a kísérlet során, vagyis, ahogy az egész, iker-kubitekből álló metaanyag két különböző állapot között váltakozott.

A kutatók fontosnak tartották megjegyezni, hogy közel sem volt triviális rábukkanni felfedezésükre. Számos elméletet meg kellett vizsgálniuk és elvetniük, hogy végül megfelelően leírhassák a kvantum metaanyagokban zajló eljárásokat. Az eredeti cikk The Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits cím alatt a Nature Communications nyílt, tudományos, a munkákat lektoráltan közreadó magazinban jelent meg.