Opgewonden fotozenders kunnen gelijktijdig samenwerken en stralen, een fenomeen dat superfluorescentie wordt genoemd. Onderzoekers van Empa en ETH Zürich, samen met collega's van IBM Research Zürich, hebben onlangs dit effect kunnen creëren met superroosters van nanokristallen op lange afstand. Deze ontdekking zou toekomstige ontwikkelingen in LED-verlichting mogelijk kunnen maken, kwantumdetectie, kwantumcommunicatie en toekomstige kwantumcomputers. De studie is zojuist gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuur .

Sommige materialen zenden spontaan licht uit als ze worden geëxciteerd door een externe bron, bijvoorbeeld een laser. Dit fenomeen staat bekend als fluorescentie. Echter, in meerdere gassen en kwantumsystemen kan een veel sterkere emissie van licht optreden, wanneer de emitters binnen een ensemble spontaan hun kwantummechanische fase met elkaar synchroniseren en samenwerken wanneer ze worden opgewonden. Op deze manier, de resulterende lichtopbrengst kan veel intenser zijn dan de som van de individuele emitters, wat leidt tot een ultrasnelle en heldere emissie van licht – superfluorescentie. Het komt alleen voor, echter, wanneer die emittenten aan strenge eisen voldoen, zoals het hebben van dezelfde emissie-energie, hoge koppelsterkte aan het lichtveld en een lange coherentietijd. Als zodanig, ze hebben een sterke wisselwerking met elkaar, maar laten zich tegelijkertijd niet snel storen door hun omgeving. Dit was tot nu toe niet mogelijk met technologisch relevante materialen. Colloïdale kwantumstippen kunnen gewoon het ticket zijn; ze zijn een bewezen, commercieel aantrekkelijke oplossing die al wordt gebruikt in de meest geavanceerde lcd-televisieschermen - en ze voldoen aan alle vereisten.

Onderzoekers van Empa en ETH Zürich, onder leiding van Maksym Kovalenko, samen met collega's van IBM Research Zürich, hebben nu aangetoond dat de meest recente generatie kwantumdots gemaakt van loodhalogenideperovskieten een elegante en praktisch gemakkelijke weg naar superfluorescentie on-demand bieden. Voor deze, de onderzoekers rangschikten perovskiet-kwantumstippen in een driedimensionaal superrooster, die de coherente collectieve emissie van fotonen mogelijk maakt - waardoor superfluorescentie ontstaat. Dit vormt de basis voor bronnen van verstrengelde multi-fotontoestanden, een ontbrekende belangrijke bron voor kwantumdetectie, kwantumbeeldvorming en fotonische kwantumcomputing.

"Vogels van een veer komen samen"

Een coherente koppeling tussen kwantumstippen vereist, echter, dat ze allemaal even groot zijn, vorm en compositie omdat "vogels van een veer samenkomen" in het kwantumuniversum, te. "Zulke superroosters met een groot bereik kunnen alleen worden verkregen uit een sterk monodisperse oplossing van kwantumstippen, waarvan de synthese de afgelopen jaren zorgvuldig is geoptimaliseerd, " zei Maryna Bodnarchuk, een senior wetenschapper bij Empa. Met zulke "uniforme" kwantumstippen van verschillende groottes, het onderzoeksteam zou dan superroosters kunnen vormen door de verdamping van het oplosmiddel goed te beheersen.

Het definitieve bewijs van superfluorescentie kwam van optische experimenten die werden uitgevoerd bij temperaturen van ongeveer min 267 graden Celsius. De onderzoekers ontdekten dat fotonen gelijktijdig werden uitgezonden in een heldere uitbarsting:"Dit was ons 'Eureka!'-moment. Op het moment dat we ons realiseerden dat dit een nieuwe kwantumlichtbron was, " zei Gabriele Rainó van ETH Zürich en Empa, die deel uitmaakte van het team dat de optische experimenten uitvoerde.

De onderzoekers beschouwen deze experimenten als een startpunt om collectieve kwantumverschijnselen verder te benutten met deze unieke materiaalklasse. "Omdat de eigenschappen van het ensemble kunnen worden versterkt in vergelijking met alleen de som der delen, men kan veel verder gaan dan het ontwerpen van de individuele kwantumstippen, ", voegde Michael Becker van ETH Zürich en IBM Research toe. De gecontroleerde generatie van superfluorescentie en het bijbehorende kwantumlicht zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen in LED-verlichting, kwantumdetectie, quantum-gecodeerde communicatie en toekomstige quantum computing.