美国科学家在钙钛矿材料中实现高温超荧光现象

该研究将推动量子通信、密码学、传感和计算等技术在更高温度下的运行。

美国高校和巴黎高校的研究人员通过国际合作，发现了在更高温度下实现超导或超荧光等奇异量子态的机制和必要条件。该成果将助力建造未来无需超低温即可运行的量子计算机。

人类对更新更先进技术的渴求已进入量子领域，科学家们正在探索超越原子结构的材料可能性。量子计算和传感是利用量子特性实现难以想象目标的主要范例。量子计算机可以解决连最快的超级计算机也要几十年才能完成的问题。然而，这些设备只能在极低的温度下运行，这种条件在实验室外几乎无法复制用于商业应用。因此，开发能在相对较高温度下工作的材料至关重要。

为什么奇异的量子态需要超低温？当材料表现出集体行为时，如鱼群游动或萤火虫同步闪光，但这是在量子水平上，就能实现超导或超流体等量子态。研究人员称之为宏观量子相变，即量子粒子群形成一个宏观相干系统，然后像一个巨大的量子粒子一样表现出超荧光或超导等奇异量子态。但这只能在超低温下实现，因为高温下的能量会产生"噪声"，破坏材料的同步性，从而阻止量子相变。

美国北卡罗莱纳州立大学物理学教授凯南·贡多杜及其合作者此前发现，混合钙钛矿材料的原子结构可以保护量子粒子免受热噪声影响的时间足够长，从而发生量子相变。在这些材料中，极化子（与电子结合的原子团）形成，并将发光偶极子与热干扰隔离。这导致了超荧光等奇异量子态。然而，这种隔离机制仍然未知。

现在，贡多杜及其同事与美国多所主要大学和巴黎综合理工学院的研究人员合作，利用激光激发极化子内部的这些电子，并发现了一个更大的团，称为孤子。贡多杜在新闻稿中解释说："把原子晶格想象成一块拉伸在两点之间的精细布料。如果你在布料上放置代表激子的实心球，每个球都会在局部使布料变形。要获得像超荧光这样的奇异状态，你需要所有的激子或球形成一个相干基团，并作为一个单元与晶格相互作用，但热噪声在高温下阻止了这一点。"球及其局部变形共同形成极化子。孤子是晶格中极化子的有序形成，可抑制热扰动。新闻稿补充说，孤子的形成要求材料中受激极化子的密度必须很高。这一假设在杜克大学和巴黎综合理工学院的实验结果中得到了进一步证实。

贡多杜补充说："这项工作提出了一个定量理论，并用实验结果加以支持。超导等宏观量子效应是我们正在追求的所有量子技术（量子通信、密码学、传感和计算）的关键，而这些技术目前都受到低温需求的限制。但现在既然我们理解了这一理论，我们就有了设计新型量子材料的指导方针，这种材料可以在高温下工作，这是一个巨大的进步。"

该研究成果发表在《自然》杂志上。

如果朋友们喜欢，敬请关乎“知新了了”！