Quanten-„Stoßdämpfer“ ermöglichen es Perowskit, bei Raumtemperatur Superfluoreszenz zu zeigen

Halbleitende Perowskite, die bei Raumtemperatur Superfluoreszenz zeigen, tun dies aufgrund eingebauter thermischer „Stoßdämpfer“, die Dipole innerhalb des Materials vor thermischer Interferenz schützen. Eine neue Studie der North Carolina State University untersucht den Mechanismus, der an diesem makroskopischen Quantenphasenübergang beteiligt ist, und erklärt, wie und warum Materialien wie Perowskite bei hohen Temperaturen eine makroskopische Quantenkohärenz aufweisen.

Stellen Sie sich einen Fischschwarm vor, der gemeinsam schwimmt, oder das synchrone Aufblitzen von Glühwürmchen – Beispiele für kollektives Verhalten in der Natur. Wenn in der Quantenwelt ein ähnliches kollektives Verhalten auftritt – ein Phänomen, das als makroskopischer Quantenphasenübergang bekannt ist – führt dies zu exotischen Prozessen wie Supraleitung, Suprafluidität oder Superfluoreszenz. Bei all diesen Prozessen bildet eine Gruppe von Quantenteilchen ein makroskopisch zusammenhängendes System, das wie ein riesiges Quantenteilchen wirkt.

Superfluoreszenz ist ein makroskopischer Quantenphasenübergang, bei dem eine Population winziger lichtemittierender Einheiten, die als Dipole bekannt sind, einen riesigen Quantendipol bildet und gleichzeitig einen Ausbruch von Photonen ausstrahlt. Ähnlich wie bei Supraleitung und Suprafluidität erfordert Superfluoreszenz normalerweise die Einhaltung kryogener Temperaturen, da sich die Dipole zu schnell aus der Phase bewegen, um einen kollektiv kohärenten Zustand zu bilden.

Kürzlich hatte ein Team unter der Leitung von Kenan Gundogdu, Professor für Physik an der NC State und korrespondierender Autor eines Artikels, der die Arbeit beschreibt, Superfluoreszenz bei Raumtemperatur in hybriden Perowskiten beobachtet.

„Unsere anfänglichen Beobachtungen deuteten darauf hin, dass etwas diese Atome vor thermischen Störungen bei höheren Temperaturen schützt“, sagt Gundogdu.

Das Team analysierte die Struktur und die optischen Eigenschaften eines gewöhnlichen Blei-Halogenid-Hybrid-Perowskits. Sie bemerkten die Bildung von Polaronen in diesen Materialien – Quasiteilchen aus gebundener Gitterbewegung und Elektronen. Gitterbewegung bezieht sich auf eine Gruppe von Atomen, die gemeinsam schwingen. Wenn ein Elektron an diese schwingenden Atome bindet, bildet sich ein Polaron.

„Unsere Analyse zeigte, dass die Bildung großer Polaronen einen Filtermechanismus für thermisches Vibrationsrauschen erzeugt, den wir ‚Quantum Analog of Vibration Isolation‘ oder QAVI nennen“, sagt Gundogdu.

Laut Franky So, Walter und Ida Freeman Distinguished Professor of Materials Science and Engineering am NC State, „ist QAVI für Laien ein Stoßdämpfer. Sobald die Dipole durch die Stoßdämpfer geschützt sind, können sie sich synchronisieren und Superfluoreszenz zeigen.“ So ist Co-Autor der Studie.

Laut den Forschern ist QAVI eine intrinsische Eigenschaft, die in bestimmten Materialien wie hybriden Perowskiten vorhanden ist. Das Verständnis, wie dieser Mechanismus funktioniert, könnte jedoch zu Quantengeräten führen, die bei Raumtemperatur arbeiten könnten.

„Das Verständnis dieses Mechanismus löst nicht nur ein großes physikalisches Rätsel, es kann uns auch helfen, Materialien mit Eigenschaften zu identifizieren, auszuwählen und maßzuschneidern, die eine erweiterte Quantenkohärenz und makroskopische Quantenphasenübergänge ermöglichen“, sagt Gundogdu.

Die Forschung erscheint in Naturphotonik.