在室温下实现超荧光现象所需的机制与材料条件

美国北卡罗来纳州立大学牵头的国际团队在最新一期《自然》杂志发文，详细阐述了在室温下实现超荧光现象所需的机制与材料条件。这项研究有助设计能在室温下实现奇异量子态（如超导、超流或超荧光）的材料，从而推动无需极低温度即可运行的量子计算机等应用的发展。

研究首次展示了在室温下产生宏观量子相干性的实验与理论依据。换句话说，研究人员终于可解释清楚，为什么某些材料在实现环境温度下的奇异量子态方面表现更好。

就像一群鱼同步游动或萤火虫协同闪烁，量子世界中也存在类似的集体现象，这被称为“宏观量子相变”。它能引发超导、超流或超荧光等奇异现象。这些现象本质上是大量量子粒子同步行为，形成一个整体量子态系统，像一个巨大的量子粒子一样运作。

然而，通常这类量子相变仅能在超低温（即低至接近绝对零度的条件）下发生，因为高温下的热噪声会干扰粒子间的同步，阻止量子态的形成。

此前研究发现，某些杂化钙钛矿材料的原子结构可保护量子粒子团体，使其免受热噪声干扰，为超荧光的发生创造了条件。在这类材料中，电子与周围原子形成的“大极化子”起到了隔离作用。

在最新研究中，研究人员进一步揭示了这一“隔热”效应的具体机制。当他们使用激光激发杂化钙钛矿材料中的电子时，发现大量极化子开始聚集，形成所谓的“孤子”结构。

如果把原子晶格想象成一张被拉紧的细布，那么将一个代表激子的球放在布上，会局部压陷布面。要形成宏观量子态，所有激子必须协调一致并与晶格形成整体，但热噪声会打乱这种协调。而“球+压陷”结构就是极化子，极化子从无序状态过渡到有序结构，就形成了孤子。实验首次直接测量了极化子从无序、无关联状态向有序状态演变的过程，直接观察到宏观量子态的形成过程。

宏观量子态如超导性，是所有量子技术的核心基础，而当前所有技术都受限于对低温环境的需求。现在，科学家理解了其中原理，也就掌握了设计高温工作量子材料的准则，这是一个巨大的进步。