Halfgeleidende perovskieten die bij kamertemperatuur superfluorescentie vertonen, doen dit dankzij ingebouwde thermische "schokdempers" die de dipolen in het materiaal beschermen tegen thermische interferentie. Een nieuwe studie van de North Carolina State University onderzoekt het mechanisme dat betrokken is bij deze macroscopische kwantumfaseovergang en legt uit hoe en waarom materialen zoals perovskieten macroscopische kwantumcoherentie vertonen bij hoge temperaturen.

Stel je een school vissen voor die tegelijk zwemt of het gesynchroniseerde flitsen van vuurvliegjes - voorbeelden van collectief gedrag in de natuur. Wanneer vergelijkbaar collectief gedrag plaatsvindt in de kwantumwereld - een fenomeen dat bekend staat als macroscopische kwantumfaseovergang - leidt dit tot exotische processen zoals supergeleiding, superfluïditeit of superfluorescentie. Bij al deze processen vormt een groep kwantumdeeltjes een macroscopisch coherent systeem dat zich gedraagt ​​als een gigantisch kwantumdeeltje.

Superfluorescentie is een macroscopische kwantumfase-overgang waarbij een populatie van kleine lichtemitterende eenheden die bekend staan ​​als dipolen een gigantische kwantumdipool vormen en tegelijkertijd een uitbarsting van fotonen uitstralen. Net als bij supergeleiding en superfluïditeit, vereist superfluorescentie normaal gesproken cryogene temperaturen, omdat de dipolen te snel uit fase gaan om een ​​collectief coherente toestand te vormen.

Onlangs had een team onder leiding van Kenan Gundogdu, hoogleraar natuurkunde aan NC State en corresponderende auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven, superfluorescentie waargenomen bij kamertemperatuur in hybride perovskieten.

"Onze eerste waarnemingen gaven aan dat iets deze atomen beschermde tegen thermische storingen bij hogere temperaturen", zegt Gundogdu.

Het team analyseerde de structuur en optische eigenschappen van een veel voorkomende hybride perovskiet met loodhalogenide. Ze zagen de vorming van polaronen in deze materialen - quasideeltjes gemaakt van gebonden roosterbeweging en elektronen. Roosterbeweging verwijst naar een groep atomen die collectief oscilleren. Wanneer een elektron zich bindt aan deze oscillerende atomen, vormt zich een polaron.

"Onze analyse toonde aan dat de vorming van grote polaronen een thermisch trillingsruisfiltermechanisme creëert dat we 'Quantum Analog of Vibration Isolation' of QAVI noemen", zegt Gundogdu.

Volgens Franky So, Walter en Ida Freeman Distinguished Professor of Materials Science and Engineering bij NC State:"In lekentaal is QAVI een schokdemper. Zodra de dipolen worden beschermd door de schokdempers, kunnen ze synchroniseren en superfluorescentie vertonen." Dat geldt ook voor co-auteur van het onderzoek.

Volgens de onderzoekers is QAVI een intrinsieke eigenschap die voorkomt in bepaalde materialen, zoals hybride perovskieten. Begrijpen hoe dit mechanisme werkt, zou echter kunnen leiden tot kwantumapparaten die bij kamertemperatuur zouden kunnen werken.

"Het begrijpen van dit mechanisme lost niet alleen een grote natuurkundige puzzel op, het kan ons ook helpen bij het identificeren, selecteren en ook aanpassen van materialen met eigenschappen die uitgebreide kwantumcoherentie en macroscopische kwantumfaseovergangen mogelijk maken", zegt Gundogdu.

Het onderzoek verschijnt in Nature Photonics . + Verder verkennen

Gemeenschappelijke perovskiet superfluoresceert bij hoge temperaturen