En vanligt studerad perovskit kan superfluorescera vid temperaturer som är praktiska att uppnå och vid tidsskalor som är tillräckligt långa för att göra den potentiellt användbar i kvantberäkningstillämpningar. Fyndet från forskare från North Carolina State University indikerar också att superfluorescens kan vara en vanlig egenskap för hela denna klass av material.

Superfluorescens är ett exempel på kvantfasövergång - när enskilda atomer i ett material alla rör sig genom samma faser i tandem, blir en synkroniserad enhet.

Till exempel, när atomer i ett optiskt material som en perovskit exciteras kan de individuellt utstråla ljus, skapa energi, och fluorescerar. Varje atom kommer att börja röra sig genom dessa faser slumpmässigt, men med de rätta förutsättningarna, de kan synkronisera i en makroskopisk kvantfasövergång. Den synkroniserade enheten kan sedan interagera med externa elektriska fält starkare än någon enskild atom skulle kunna, skapar en superfluorescerande skur.

"Förekomster av spontan synkronisering är universella, förekommer i allt från planetbanor till eldflugor som synkroniserar sina signaler, " säger Kenan Gundogdu, professor i fysik vid NC State och motsvarande författare till forskningen. "Men när det gäller fasta material, dessa fasövergångar troddes bara ske vid extremt låga temperaturer. Detta beror på att atomerna går ur fas för snabbt för att synkronisering ska ske om inte timingen bromsas av avkylning."

Gundogdu och hans team observerade superfluorescens i perovskiten metylammonium blyjodid, eller MAPbI ₃ , samtidigt som man utforskar dess lasregenskaper. Perovskiter är material med en kristallstruktur och ljusemitterande egenskaper användbara för att skapa lasrar, bland andra applikationer. De är billiga, relativt enkel att tillverka, och används i solceller, ljuskällor och skannrar.

"När man försöker ta reda på dynamiken bakom MAPbI ₃ s lasregenskaper, vi märkte att dynamiken vi observerade inte kunde beskrivas enbart genom lasrande beteende, " säger Gundogdu. "Normalt vid laser kommer en exciterad partikel att avge ljus, stimulera en annan, och så vidare i en geometrisk förstärkning. Men med detta material såg vi synkronisering och en kvantfasövergång, vilket resulterar i superfluorescens."

Men de mest slående aspekterna av superfluorescensen var att den inträffade vid 78 Kelvin och hade en faslivslängd på 10 till 30 pikosekunder.

"I allmänhet sker superfluorescens vid extremt kalla temperaturer som är svåra och dyra att uppnå, och det varar bara i femtosekunder, " säger Gundogdu. "Men 78 K handlar om temperaturen på torris eller flytande kväve, och faslivslängden är två till tre storleksordningar längre. Det betyder att vi har makroskopiska enheter som varar tillräckligt länge för att kunna manipuleras."

Forskarna tror att denna egenskap kan vara mer utbredd i perovskiter i allmänhet, vilket kan visa sig vara användbart i kvantapplikationer som datorbearbetning eller lagring.

"Observation av superfluorescens i fasta material är alltid en stor sak eftersom vi bara har sett det i fem eller sex material hittills, Gundogdu säger. "Att kunna observera det vid högre temperaturer och längre tidsskalor öppnar dörren till många spännande möjligheter."

Verket dyker upp i Nature Photonics och stöds av National Science Foundation (anslag 1729383). NC State doktorander Gamze Findik och Melike Biliroglu är medförfattare. Franky så, Walter och Ida Freeman framstående professor i materialvetenskap och teknik, är medförfattare.