Zakoupený kuprit z Namibie. Kredit: University of St Andrews.

Oxid měďný Cu₂O se v přírodě vyskytuje jako kuprit, minerál červené barvy. Je pěkný, a jak se zdá, není to jeho jedinou předností. Tým odborníků, který vedl Hamid Ohadi ze skotské University of St Andrews, si kuprit sehnal a vyrobil s jeho pomocí kvazičástice, které by se mohly stát základem jistého typu kvantových počítačů.

Ohadi a spol. vytvořili Rydbergovy polaritony, tedy hybridní kvazičástice, které stojí na pomezí záření a hmoty. Polaritony jsou bosonové kvazičástice, které vznikají při spojení elektromagnetické vlny, čili fotonu, s excitací materiálu. V tomto konkrétním případě šlo o kvazičástice excitonové polaritony, které jsou výsledkem spojení mezi fotonem a excitonem, čili vázaným stavem elektronu a kladně nabité „díry“.

Hamid Ohadi. Kredit: H. Ohadi.

Rydbergovy polaritony se neustále „přepínají“ mezi zářením a hmotou. Jako by to byly dvě strany jedné mince. Na tom, která ze stran je právě aktuální, přitom závisí interakce polaritonů. Tyto interakce jsou klíčové pro konstrukci „kvantových simulátorů“ (quantum simulator), což je speciální typ kvantových počítačů. Jako obvykle využívají pro přenos informace namísto bitů qubity, které mohou nabývat hodnoty nejen 0 nebo 1, ale také jakékoliv mezi tím, což se projevuje na jejich výkonu.

Tato „superschopnost“ dovoluje kvantovým simulátorům studovat věci, které jsou pro konvenční počítače jen obtížně přístupné. Mohou pronikat do komplikovaných problémů fyziky, chemie nebo biologie, jako je vývoj vysokoteplotních supravodičů, příprava pokročilých hnojiv anebo analýzy struktury proteinů pro nové generace léků.

Logo. Kredit: H. Ohadi.

Ohadiho tým vytvořil Rydbergovy polaritony tak, že polapili záření mezi dvě vysoce odrazivá zrcadla. Mezi tato zrcadla poté umístili krystal kupritu, který původně pocházel z Namibie. Vybrousili ho do podoby tenkého plátku o tloušťce 30 mikrometrů. S jeho pomocí vznikly Rydbergovy polaritony, které jsou stokrát větší, než dosavadní rekordní kvazičástice tohoto typu. Volba kupritu samozřejmě nebyla náhodná. Tento materiál již nějakou dobu hraje významnou roli ve výzkumu excitonových polaritonů.

Jak uvádí Sai Kiran Rajendran z výzkumného týmu, sehnat vhodný kuprit na eBay bylo snadné. Opravdovou výzvou bylo vytvořit zmíněné polaritony. Nakonec to zvládli a teď ladí své postupy, aby bylo možné vytvořit kvantové obvody s Rydbergovými polaritony, což je další krok na cestě k vytouženým kvantovým simulátorům.

Literatura

University of St Andrews 15. 4. 2022.

Nature Materials online 14. 4. 2022.