孤子超荧光为高温量子材料开辟道路

开展此项工作的国际团队由北卡罗莱纳州立大学领导，成员包括杜克大学、波士顿大学和巴黎综合理工学院的研究人员。

"在这项工作中，我们揭示了高温下宏观量子相干性的实验和理论基础，"北卡州立大学物理学教授、该研究的通讯作者凯南·龚多杜（Kenan Gundogdu）表示。"换句话说，我们终于能够解释在室温下需要奇特量子态的应用中，为何某些材料性能优于其他材料。"

想象一下鱼群整齐游动或萤火虫同步闪烁的场景——这些都是自然界集体行为的例证。当类似集体行为发生在量子世界——这种现象被称为宏观量子相变——就会导致超导性、超流性或超荧光等奇特过程。所有这些过程中，一群量子粒子形成宏观相干系统，其行为如同一个巨大的量子粒子。

然而，量子相变通常需要在超低温（或低温）条件下才能发生。这是因为较高温度会产生热"噪声"，破坏同步性并阻止相变发生。

在先前的研究中，龚多杜团队已确定某些杂化钙钛矿的原子结构能保护量子粒子群免受热噪声影响，使其有足够时间完成相变。这些材料中会形成大极化子（与电子结合的原子群），将发光偶极子与热干扰隔离从而实现超荧光。

新研究中，研究人员揭示了这种隔离效应的作用机制。当他们用激光激发所研究的杂化钙钛矿内部电子时，观察到大量极化子聚集形成。这种聚集体被称为孤子。

"将原子晶格想象成两点间绷紧的精美布料，"龚多杜解释道。"若在布上放置代表激子的实心球，每个球都会引起布料局部形变。要获得超荧光等奇特态，需要所有激子（球体）形成相干群并与晶格整体作用，但高温热噪声会阻碍这一过程。

"小球及其引发的局部形变共同构成极化子，"龚多杜继续说明。"当这些极化子从随机分布转变为晶格中的有序结构时，它们就形成了孤子（即相干单元）。孤子的形成过程抑制了热扰动——正是这些扰动通常会阻碍量子效应。"

"只有当材料中被激发的极化子密度足够高时才会形成孤子，"论文共同第一作者、北卡州立大学博士生穆斯塔法·图雷（Mustafa Türe）指出。"我们的理论表明：极化子密度较低时系统仅存在自由非相干极化子；一旦超过临界密度，极化子就会演化为孤子。"

"实验中我们直接测量了极化子群从非相干无序态向有序相的演化过程，"该工作共同第一作者、北卡州立大学博士后梅莉克·比利罗格鲁（Melike Biliroglu）补充道。"这是对宏观量子态形成的首批直接观测之一。"

为验证孤子形成能抑制温度的有害影响，研究团队与杜克大学机械工程与材料科学系鲁尼家族副教授沃尔克·布鲁姆（Volker Blum）合作，计算了导致热干扰的晶格振荡。他们还联合法国国家科学研究中心（CNRS）和巴黎综合理工学院物理学教授瓦西里·捷姆诺夫（Vasily Temnov），模拟了热噪声环境下孤子的复合动力学。这些工作证实了实验结果，验证了孤子的本征相干性。

该研究标志着在理解特定杂化钙钛矿如何及为何能展现奇特量子态方面取得重大突破。

"此前我们并不清楚这些材料的高温量子效应背后是否存在机制，"论文合著者、北卡州立大学材料科学与工程系沃尔特与艾达·弗里曼杰出教授弗兰基·索（Franky So）表示。

"本研究提出了定量理论并用实验结果予以支持，"龚多杜强调。"超导性等宏观量子效应是我们追求的量子技术（量子通信、密码学、传感与计算）的核心，而目前所有这些技术都受限于低温需求。既然我们理解了理论原理，就能为设计可在高温下工作的新型量子材料提供指导方针，这无疑是重大进步。"

本研究由美国能源部科学办公室资助（基金编号DE-SC0024396）。杜克大学秦熙熙（Xixi Qin）、乌拉帕拉·赫拉特（Uthpala Herath），波士顿大学安娜·斯旺（Anna Swan），巴黎综合理工学院安东尼娅·吉塔（Antonia Ghita）亦对本研究作出贡献。