朝向高温量子材料
《自然》杂志上的一项新研究描述了室温下超荧光所需的机制和材料条件。 这项工作可以作为设计材料的蓝图，这些材料允许在高温下产生奇异的量子态——例如超导性、超流体或超荧光——为不需要极低温度即可运行的量子计算机等应用铺平道路。 完成这项工作的国际团队由 North 领导Carolina State University 的 Tim Mc 教授，包括来自杜克大学、波士顿大学和巴黎理工学院的研究人员。 “在这项工作中，我们展示了高温下宏观量子相干性背后的实验和理论原因，”北卡罗来纳州立大学物理学教授、该研究的通讯作者 Kenan Gundogdu 说。 “换句话说，我们终于可以解释在需要奇异量子的应用中，某些材料如何以及为什么会比其他材料效果更好状态。 想象一下一群鱼齐群游动或萤火虫同步闪烁——这是自然界中集体行为的例子。 当类似的集体行为发生在量子世界中时——这种现象被称为宏观量子相变——它会导致超导性、超流动性或超荧光等奇特的过程。 在所有这些过程中，一组量子粒子形成一个宏观相干系统，其作用类似于巨型量子粒子。 然而，量子相变通常需要超冷或低温条件才能发生。 这是因为较高的温度会产生热“噪声”，从而破坏同步并阻止相变。 在之前的一项研究中，Gundogdu 及其同事已经确定，一些杂化钙钛矿的原子结构可以保护量子粒子群免受热噪声的影响，足够长的时间使相变发生。 在这些形成大极化子（与电子结合的原子群）的材料，使发射偶极子的光免受热干扰并允许超荧光。 在这项新研究中，研究人员发现了绝缘效应的工作原理。 当他们使用激光激发他们研究的混合钙钛矿内的电子时，他们看到一大群极化子聚集在一起。 此分组称为孤子。 “将原子晶格想象成一块在两者之间伸展的细布点，“Gundogdu 说。 “如果你将代表激子的实心球放在布上，每个球都会使布料局部变形。 为了获得像超荧光这样的奇异态，你需要所有的激子或球形成一个相干的基团，并与晶格作为一个单元相互作用，但在高温下，热噪声会阻止这种情况。 “球和它的局部变形一起形成了一个极化子，”Gundogdu 继续说道。 “当这些极化子从随机分布转变为有序分布时在晶格中形成，它们形成一个孤子或连贯单元。 孤子形成过程抑制了热扰动，否则会阻碍量子效应。 “只有当材料中激发的极化子密度足够大时，才会形成孤子，”北卡罗来纳州立大学博士 Mustafa Türe 说。 学生和论文的共同第一作者。 “我们的理论表明，如果极化子的密度很低，系统就只有自由的非相干极化子，而超过阈值密度，极化子就会进化变成孤子。 “在我们的实验中，我们直接测量了一组极化子从不相干的不相关阶段到有序阶段的演变，”北卡罗来纳州立大学博士后研究员、该工作的共同第一作者 Melike Biliroglu 补充道。 “这是对宏观量子态形成的首次直接观测之一。” 为了确认孤子的形成抑制了温度的有害影响，该小组与 Rooney 家族的合伙人 Volker Blum 合作杜克大学机械工程和材料科学教授，计算导致热干扰的晶格振荡。 他们还与 CNRS 和巴黎综合理工学院的物理学教授 Vasily Temnov 合作，模拟了存在热噪声的情况下孤子的复合动力学。 他们的工作证实了实验结果并验证了孤子的内在相干性。 这项工作代表了在理解如何和为什么某些杂化钙钛矿能够表现出奇异的量子态。 “在这项工作之前，尚不清楚这些材料中是否存在高温量子效应背后的机制，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程 Walter 和 Ida Freeman 特聘教授 Franky So 说。 “这项工作展示了一个定量理论，并用实验结果支持它，”Gundogdu 说。 “宏观量子效应，例如超导性是我们追求的所有量子技术（量子通信、密码学、传感和计算）的关键，而所有这些技术目前都受到低温需求的限制。 但现在我们了解了这个理论，我们就有了设计可以在高温下工作的新量子材料的指南，这是向前迈出的一大步。 这项工作得到了能源部科学办公室（批准号。 DE-SC0024396）。 研究人员 秦曦 ，杜克大学的 Uthpala Herath; 来自波士顿大学的 Anna Swan; 以及来自巴黎理工学院的 Antonia Ghita 也为这项工作做出了贡献。