Полупроводниковые перовскиты, которые проявляют сверхфлуоресценцию при комнатной температуре, делают это благодаря встроенным тепловым «амортизаторам», которые защищают диполи внутри материала от тепловых помех. Новое исследование Университета штата Северная Каролина исследует механизм этого макроскопического квантового фазового перехода и объясняет, как и почему такие материалы, как перовскиты, проявляют макроскопическую квантовую когерентность при высоких температурах.
Представьте косяк рыб, плавающих в унисон, или синхронное мигание светлячков — примеры коллективного поведения в природе. Когда подобное коллективное поведение происходит в квантовом мире — явление, известное как макроскопический квантовый фазовый переход, — оно приводит к экзотическим процессам, таким как сверхпроводимость, сверхтекучесть или сверхфлуоресценция. Во всех этих процессах группа квантовых частиц образует макроскопически когерентную систему, которая действует как гигантская квантовая частица.
Суперфлуоресценция — это макроскопический квантовый фазовый переход, при котором множество крошечных светоизлучающих единиц, известных как диполи, образуют гигантский квантовый диполь и одновременно излучают всплеск фотонов. Подобно сверхпроводимости и сверхтекучести, сверхфлуоресценция обычно требует наблюдения криогенных температур , потому что диполи слишком быстро смещаются в противофазе, чтобы сформировать коллективно когерентное состояние.
Недавно группа под руководством Кенана Гундогду, профессора физики в штате Северная Каролина и автора соответствующей статьи, описывающей работу, наблюдала суперфлуоресценцию при комнатной температуре в гибридных перовскитах.
«Наши первоначальные наблюдения показали, что что-то защищает эти атомы от тепловых возмущений при более высоких температурах», — говорит Гундогду.
Команда проанализировала структуру и оптические свойства распространенного перовскита, гибридного галогенида свинца. Они заметили образование в этих материалах поляронов — квазичастиц, состоящих из связанного движения решетки и электронов. Движение решетки относится к группе атомов, которые коллективно колеблются. Когда электрон связывается с этими колеблющимися атомами, образуется полярон.
«Наш анализ показал, что образование больших поляронов создает механизм фильтрации теплового вибрационного шума, который мы называем «квантовым аналогом изоляции вибрации» или QAVI», — говорит Гундогду.
По словам Фрэнки Со, Уолтера и Иды Фриман, заслуженного профессора материаловедения и инженерии в штате Северная Каролина, «Говоря простым языком, QAVI — это амортизатор . Как только диполи защищены амортизаторами, они могут синхронизироваться и проявлять сверхфлуоресценцию». Как и соавтор исследования.
По мнению исследователей, QAVI — это неотъемлемое свойство некоторых материалов, таких как гибридные перовскиты. Однако понимание того, как работает этот механизм, может привести к созданию квантовых устройств, способных работать при комнатной температуре .
«Понимание этого механизма не только решает главную физическую загадку, но и может помочь нам идентифицировать, выбирать, а также адаптировать материалы со свойствами, которые обеспечивают расширенную квантовую когерентность и макроскопические квантовые фазовые переходы», — говорит Гундогду.
Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.
Теги: квант, микроэлектроника
