孤子超荧光为高温量子材料研究铺平道路

开展此项工作的国际团队由北卡罗来纳州立大学领导，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，我们展示了高温下宏观量子相干性的实验和理论原因，"北卡罗来纳州立大学物理学教授、该研究的通讯作者凯南·贡多杜（Kenan Gundogdu）表示。"换句话说，我们最终能够解释，在需要环境温度下奇异量子态的应用中，为何某些材料比其他材料性能更优。"

想象鱼群整齐划一地游动，或是萤火虫同步闪烁——这些都是自然界集体行为的例证。当类似的集体行为发生在量子世界——这种现象称为宏观量子相变——它会导致超导、超流或超荧光等奇异过程。所有这些过程中，一群量子粒子形成宏观相干系统，其行为如同一个巨型量子粒子。

然而，量子相变通常需要在超低温（即低温）条件下发生。这是因为较高温度会产生热"噪声"，破坏同步并阻碍相变。

在先前的研究中，贡多杜及其同事已确定，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，使其持续时间足以发生相变。在这些材料中，会形成大极化子（与电子结合的原子团），将发光偶极子与热干扰隔离，从而实现超荧光。

在新研究中，研究人员揭示了这种绝缘效应的作用机制。当他们用激光激发所研究杂化钙钛矿内的电子时，观察到大量极化子聚集。这种聚集称为孤子。

"将原子晶格想象成绷紧的细布，"贡多杜解释道。"若在布上放置代表激子的实心球，每个球会使布料局部变形。要获得超荧光这类奇异态，需要所有激子（小球）形成相干群组，作为一个整体与晶格互动，但高温下的热噪声会阻碍这一过程。

"小球及其局部变形共同构成极化子，"贡多杜继续阐述。"当这些极化子从随机分布转变为晶格中的有序结构时，便形成孤子（即相干单元）。孤子形成过程抑制了热扰动，否则这些干扰会阻碍量子效应。"

"只有当材料中受激极化子的密度足够高时才会形成孤子，"论文共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士生穆斯塔法·图雷（Mustafa Türe）指出。"我们的理论表明，若极化子密度低，系统仅存在自由的非相干极化子；而当密度超过阈值时，极化子会演化为孤子。"

"实验中我们直接测量了极化子群从非相干非关联相向有序相的演化过程，"该工作共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员梅利克·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。"

为证实孤子形成能抑制温度的有害效应，研究团队与杜克大学机械工程与材料科学鲁尼家族副教授沃尔克·布卢姆（Volker Blum）合作，计算了导致热干扰的晶格振荡。他们另与法国国家科学研究中心物理教授、巴黎综合理工学院教授瓦西里·捷姆诺夫（Vasily Temnov）协作，模拟了热噪声存在下孤子的复合动力学。这些工作验证了实验结果，并证实了孤子的本征相干性。

该研究在理解特定杂化钙钛矿为何及如何呈现奇异量子态方面实现了重大突破。

"此前研究尚未明确这些材料的高温量子效应是否存在内在机制，"论文合著者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程沃尔特与艾达·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加以验证，"贡多杜强调。"超导等宏观量子效应是我们探索量子技术（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，这是巨大的进步。"

该工作获得美国能源部科学办公室支持（资助号DE-SC0024396）。杜克大学的秦熙熙（Xixi Qin）、乌拉帕拉·赫拉特（Uthpala Herath），波士顿大学的安娜·斯旺（Anna Swan），以及巴黎综合理工学院的安托尼亚·吉塔（Antonia Ghita）也为本研究作出贡献。