Nature Photonics：量子“减震器”——室温下发生超荧光的钙钛矿

图1 图源北卡罗来纳州立大学

半导体钙钛矿能在室温下表现出超荧光的原因是：其内部的热力学“减震器”保护了材料内部的偶极子免受热干扰。北卡罗来纳州立大学的一项新研究探索了这一宏观量子相变的机制，并解释了钙钛矿等材料在较高温度下发生宏观量子相干的原理和机制。

想象一下鱼群在水中游弋、萤火虫成群闪烁的场景，这些都是自然界中的集体行为。当量子世界中发生类似的集体行为时，就会发生一种被称为宏观量子相变的现象，这一现象会导致超导性、超流体性和超荧光等奇异的过程。这些过程中，一组量子粒子共同组成了一个宏观的相关系统，表现为一个巨大的量子粒子。

超荧光是一种宏观量子相变，其中一群被称为偶极子的微小发光单位组合成一个巨大的量子偶极子，同时辐射出一束光子。与超导性和超流体类似，通常在低温下才会发生超荧光现象，因为常温下偶极子相位失去同步的速度太快，无法形成集体相干态。

最近，Kenan Gundogdu领导的一个团队在室温下观察到了杂化钙钛矿中的超荧光现象。Kenan Gundogdu是文章的通讯作者，同时也是北卡罗来纳州立大学的物理学教授。

“我们的初步观察表明，当温度较高时存在某种物质保护这些原子免受热干扰，” Gundogdu说。

该团队分析了一种普通的铅卤化物杂化钙钛矿的结构和光学性质。他们注意到了这些材料中极化子的形成过程；极化子是由束缚晶格振动和电子组成的准粒子。晶格振动是一组原子集体振荡，当一个电子与这些振荡的原子结合时，就形成了极化子。

“我们的分析表明，大极化子的形成产生了一种热振动噪声过滤机制，我们称之为‘量子隔振装置’（Quantum Analog of Vibration Isolation），简称QAVI。” Gundogdu说。

据北卡罗来纳州立大学材料科学与工程特聘教授Franky So、Walter和Ida Freeman表示：“用外行的话来说，QAVI是一种减震器。一旦偶极子被减震器保护起来，它们就可以同步并表现出超荧光。”

研究人员称，QAVI是存在于某些材料中的固有特性，比如杂化钙钛矿。理解这一机制后背的原理有助于室温下工作量子器件的研发。

“理解这一机制不仅解决了一个主要的物理难题，还能够帮助我们识别、选择和定制具有扩展量子相干和宏观量子相变特性的材料，” Gundogdu说。

文章见：Kenan Gundogdu, Room-temperature superfluorescence in hybrid perovskites and its origins, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-00974-4. www.nature.com/articles/s41566-022-00974-4。