室温下超熒光現象形成機制闡明

科技日報訊 （記者張佳欣）美國北卡羅來納州立大學牽頭的國際團隊在最新一期《自然》雜誌發文，詳細闡述了在室温下實現超熒光現象所需的機制與材料條件。這項研究有助設計能在室温下實現奇異量子態（如超導、超流或超熒光）的材料，從而推動無需極低温度即可運行的量子計算機等應用的發展。

研究首次展示了在室温下產生宏觀量子相干性的實驗與理論依據。研究人員終於可解釋清楚，為什麼某些材料在實現環境温度下的奇異量子態方面表現更好。

就像一羣魚同步遊動或螢火蟲協同閃爍，量子世界中也存在類似的集體現象，這被稱為“宏觀量子相變”。它能引發超導、超流或超熒光等奇異現象。這些現象本質上是大量量子粒子同步行為，形成一個整體量子態系統，像一個巨大的量子粒子一樣運作。

然而，通常這類量子相變僅能在超低温（即低至接近絕對零度的條件）下發生，因為高温下的熱噪聲會干擾粒子間的同步，阻止量子態的形成。

此前研究發現，某些雜化鈣鈦礦材料的原子結構可保護量子粒子團體，使其免受熱噪聲干擾，為超熒光的發生創造了條件。在這類材料中，電子與周圍原子形成的“大極化子”起到了隔離作用。

在最新研究中，研究人員進一步揭示了這一“隔熱”效應的具體機制。當他們使用激光激發雜化鈣鈦礦材料中的電子時，發現大量極化子開始聚集，形成所謂的“孤子”結構。

如果把原子晶格想象成一張被拉緊的細布，那麼將一個代表激子的球放在布上，會局部壓陷布面。要形成宏觀量子態，所有激子必須協調一致並與晶格形成整體，但熱噪聲會打亂這種協調。而“球+壓陷”結構就是極化子，極化子從無序狀態過渡到有序結構，就形成了孤子。實驗首次直接測量了極化子從無序、無關聯狀態向有序狀態演變的過程，直接觀察到宏觀量子態的形成過程。

宏觀量子態如超導性，是所有量子技術的核心基礎，而當前所有技術都受限於對低温環境的需求。現在，科學家理解了其中原理，也就掌握了設計高温工作量子材料的準則，這是一個巨大的進步。