Een algemeen bestudeerde perovskiet kan superfluoresceren bij temperaturen die praktisch haalbaar zijn en op tijdschalen die lang genoeg zijn om het potentieel bruikbaar te maken in kwantumcomputertoepassingen. De bevinding van onderzoekers van de North Carolina State University geeft ook aan dat superfluorescentie een gemeenschappelijk kenmerk kan zijn voor deze hele klasse van materialen.

Superfluorescentie is een voorbeeld van kwantumfaseovergang - wanneer individuele atomen in een materiaal allemaal tegelijk door dezelfde fasen gaan, een gesynchroniseerde eenheid worden.

Bijvoorbeeld, wanneer atomen in een optisch materiaal zoals een perovskiet worden geëxciteerd, kunnen ze individueel licht uitstralen, energie creëren, en fluoresceren. Elk atoom zal willekeurig door deze fasen gaan, maar onder de juiste omstandigheden, ze kunnen synchroniseren in een macroscopische kwantumfaseovergang. Die gesynchroniseerde eenheid kan dan sterker interageren met externe elektrische velden dan een enkel atoom zou kunnen, het creëren van een superfluorescerende burst.

"Gevallen van spontane synchronisatie zijn universeel, die in alles voorkomen, van planetaire banen tot vuurvliegjes die hun signalen synchroniseren, " zegt Kenan Gundogdu, hoogleraar natuurkunde aan NC State en corresponderende auteur van het onderzoek. "Maar in het geval van vaste materialen, deze faseovergangen werden verondersteld alleen plaats te vinden bij extreem lage temperaturen. Dit komt omdat de atomen te snel uit fase gaan om synchronisatie te laten plaatsvinden, tenzij de timing wordt vertraagd door afkoeling."

Gundogdu en zijn team observeerden superfluorescentie in het perovskiet-methylammoniumloodjodide, of MAPbI ₃ , tijdens het verkennen van de lasereigenschappen. Perovskieten zijn materialen met een kristalstructuur en lichtemitterende eigenschappen die nuttig zijn bij het maken van lasers, onder andere toepassingen. Ze zijn goedkoop, relatief eenvoudig te vervaardigen, en worden gebruikt in fotovoltaïsche, lichtbronnen en scanners.

"Bij het proberen te achterhalen van de dynamiek achter MAPbI ₃ 's laserende eigenschappen, we merkten dat de dynamiek die we waarnamen niet eenvoudig kon worden beschreven door lasergedrag, "zegt Gundogdu. "Normaal gesproken zal bij het laseren één aangeslagen deeltje licht uitzenden, een ander stimuleren, enzovoort in een geometrische versterking. Maar met dit materiaal zagen we synchronisatie en een kwantumfaseovergang, resulterend in superfluorescentie."

Maar de meest opvallende aspecten van de superfluorescentie waren dat deze plaatsvond bij 78 Kelvin en een faselevensduur had van 10 tot 30 picoseconden.

"Over het algemeen vindt superfluorescentie plaats bij extreem lage temperaturen die moeilijk en duur zijn om te bereiken, en het duurt maar femtoseconden, "zegt Gundogdu. "Maar 78 K is ongeveer de temperatuur van droogijs of vloeibare stikstof, en de faselevensduur is twee tot drie orden van grootte langer. Dit betekent dat we macroscopische eenheden hebben die lang genoeg meegaan om te worden gemanipuleerd."

De onderzoekers denken dat deze eigenschap meer wijdverbreid is in perovskieten in het algemeen, die nuttig kunnen zijn in kwantumtoepassingen zoals computerverwerking of -opslag.

"Waarneming van superfluorescentie in vastestofmaterialen is altijd een groot probleem, omdat we het tot nu toe slechts in vijf of zes materialen hebben gezien, "Zegt Gundogdu. "Als je het bij hogere temperaturen en langere tijdschalen kunt observeren, opent dat de deur naar veel opwindende mogelijkheden."

Het werk verschijnt in Natuurfotonica en wordt ondersteund door de National Science Foundation (subsidie ​​1729383). NC State afgestudeerde studenten Gamze Findik en Melike Biliroglu zijn co-eerste auteurs. Franky dus, Walter en Ida Freeman Distinguished Professor of Materials Science and Engineering, is co-auteur.