Kvantestøddæmpere tillader perovskit at udvise superfluorescens ved stuetemperatur

Halvledende perovskitter, der udviser superfluorescens ved stuetemperatur, gør det på grund af indbyggede termiske "støddæmpere", som beskytter dipoler i materialet mod termisk interferens. En ny undersøgelse fra North Carolina State University udforsker mekanismen involveret i denne makroskopiske kvantefaseovergang og forklarer, hvordan og hvorfor materialer som perovskiter udviser makroskopisk kvantekohærens ved høje temperaturer.

Forestil dig en fiskestime, der svømmer i forening eller den synkroniserede blink af ildfluer - eksempler på kollektiv adfærd i naturen. Når lignende kollektiv adfærd sker i kvanteverdenen - et fænomen kendt som makroskopisk kvantefaseovergang - fører det til eksotiske processer såsom superledning, superfluiditet eller superfluorescens. I alle disse processer danner en gruppe kvantepartikler et makroskopisk sammenhængende system, der fungerer som en kæmpe kvantepartikel.

Superfluorescens er en makroskopisk kvantefaseovergang, hvor en population af bittesmå lysemitterende enheder kendt som dipoler danner en gigantisk kvantedipol og udstråler samtidig et udbrud af fotoner. I lighed med superledning og superfluiditet kræver superfluorescens normalt, at kryogene temperaturer observeres, fordi dipolerne bevæger sig ud af fase for hurtigt til at danne en kollektivt kohærent tilstand.

For nylig havde et hold ledet af Kenan Gundogdu, professor i fysik ved NC State og tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver arbejdet, observeret superfluorescens ved stuetemperatur i hybridperovskitter.

"Vores første observationer indikerede, at noget beskyttede disse atomer mod termiske forstyrrelser ved højere temperaturer," siger Gundogdu.

Holdet analyserede strukturen og de optiske egenskaber af en almindelig bly-halogenid hybrid perovskit. De bemærkede dannelsen af ​​polaroner i disse materialer - kvasipartikler lavet af bundet gitterbevægelse og elektroner. Gitterbevægelse refererer til en gruppe af atomer, der kollektivt oscillerer. Når en elektron binder til disse oscillerende atomer, dannes der en polaron.

"Vores analyse viste, at dannelsen af ​​store polaroner skaber en termisk vibrationsstøjfiltermekanisme, som vi kalder 'Quantum Analog of Vibration Isolation' eller QAVI," siger Gundogdu.

Ifølge Franky So, Walter og Ida Freeman Distinguished Professor of Materials Science and Engineering ved NC State, "I lægmandssprog er QAVI en støddæmper. Når først dipolerne er beskyttet af støddæmperne, kan de synkronisere og udvise superfluorescens." Det samme er medforfatter til forskningen.

Ifølge forskerne er QAVI en iboende egenskab, der findes i visse materialer, såsom hybridperovskitter. Men at forstå, hvordan denne mekanisme virker, kan føre til kvanteenheder, der kan fungere ved stuetemperatur.

"At forstå denne mekanisme løser ikke kun et stort fysikpuslespil, det kan hjælpe os med at identificere, udvælge og også skræddersy materialer med egenskaber, der tillader udvidet kvantekohærens og makroskopiske kvantefaseovergange," siger Gundogdu.

Forskningen vises i Nature Photonics . + Udforsk yderligere

Almindelig perovskit superfluorescerer ved høje temperaturer