Kredit:North Carolina State University
Halvledande perovskiter som uppvisar superfluorescens vid rumstemperatur gör det på grund av inbyggda termiska "stötdämpare" som skyddar dipoler i materialet från termisk interferens. En ny studie från North Carolina State University undersöker mekanismen som är involverad i denna makroskopiska kvantfasövergång och förklarar hur och varför material som perovskiter uppvisar makroskopisk kvantkoherens vid höga temperaturer.
Föreställ dig ett fiskstim som simmar unisont eller den synkroniserade blixten av eldflugor – exempel på kollektivt beteende i naturen. När liknande kollektivt beteende inträffar i kvantvärlden - ett fenomen som kallas makroskopisk kvantfasövergång - leder det till exotiska processer som supraledning, superfluiditet eller superfluorescens. I alla dessa processer bildar en grupp kvantpartiklar ett makroskopiskt sammanhängande system som fungerar som en gigantisk kvantpartikel.
Superfluorescens är en makroskopisk kvantfasövergång där en population av små ljusemitterande enheter som kallas dipoler bildar en gigantisk kvantdipol och samtidigt utstrålar en skur av fotoner. I likhet med supraledning och superfluiditet kräver superfluorescens normalt att kryogena temperaturer observeras, eftersom dipolerna går ur fas för snabbt för att bilda ett kollektivt koherent tillstånd.
Nyligen hade ett team ledd av Kenan Gundogdu, professor i fysik vid NC State och motsvarande författare till en artikel som beskrev arbetet, observerat superfluorescens vid rumstemperatur i hybridperovskiter.
"Våra första observationer visade att något skyddade dessa atomer från termiska störningar vid högre temperaturer", säger Gundogdu.
Teamet analyserade strukturen och de optiska egenskaperna hos en vanlig bly-halidhybridperovskit. De märkte bildandet av polaroner i dessa material - kvasipartiklar gjorda av bunden gitterrörelse och elektroner. Gitterrörelse hänvisar till en grupp atomer som kollektivt oscillerar. När en elektron binder till dessa oscillerande atomer bildas en polaron.
"Vår analys visade att bildandet av stora polaroner skapar en termisk vibrationsbrusfiltermekanism som vi kallar 'Quantum Analog of Vibration Isolation' eller QAVI", säger Gundogdu.
Enligt Franky So, Walter och Ida Freeman Distinguished Professor of Materials Science and Engineering vid NC State, "I lekmans termer är QAVI en stötdämpare. När dipolerna väl skyddas av stötdämparna kan de synkroniseras och uppvisa superfluorescens." Så är medförfattare till forskningen.
Enligt forskarna är QAVI en inneboende egenskap som finns i vissa material, som hybridperovskiter. Men att förstå hur denna mekanism fungerar kan leda till kvantenheter som kan fungera vid rumstemperatur.
"Att förstå denna mekanism löser inte bara ett stort fysikpussel, det kan hjälpa oss att identifiera, välja och även skräddarsy material med egenskaper som tillåter utökad kvantkoherens och makroskopiska kvantfasövergångar", säger Gundogdu.
Forskningen visas i Nature Photonics . + Utforska vidare
