Olisiko perovskiitista kvanttimateriaaliksi?

Kansainvälinen tutkijaryhmä on raportoinut merkittävästä edistysaskelesta puolijohdemateriaalien kvanttidynamiikan ymmärtämisessä. He havainnoivat suoraan, kuinka eksitonit ja fononit kehittyvät yhdessä perovskiittisissa nanokiteissä, paljastaen täysin koherentin kvanttitanssin valon aiheuttamien elektroniviritysten ja kidehilan värähtelyjen välillä.

Eksitoni ja fononi ovat erilaisia kvanttiobjekteja mutta perovskiiteissa ne ovat vahvasti yhteydessä toisiinsa ja kehittyvät yhdessä kytketyksi kvanttijärjestelmäksi.

Perovskiitin nanokide muodostaa nanomittakaavan "laatikon", joka vangitsee sekä eksitonit että fononit. Tämä rajoittuminen tekee niiden välisestä vuorovaikutuksesta erityisen voimakkaan: Nanokiteen sisällä oleva eksitoni on tiiviisti kytketty ympäröivän kidehilan värähtelyihin.

Kun lyhyt laserpulssi luo eksitonin, se vääristää myös hieman ympäröivää kidehilaa, jolloin syntyy fononeja. Elektroninen heräte ja hilan värähtely muodostavat sitten yhteisen kvanttitilan, joka tunnetaan nimellä eksitoni-polaroni.

Useimmissa kiinteissä aineissa vuorovaikutus kidehilan kanssa tuhoaa nopeasti hauraat kvanttitilat. Monien atomien liike toimii kuin kohina, joka huuhtoo pois kvanttikoherenssin. Tutkijat löysivät kuitenkin silmiinpistävän poikkeuksen lyijyhalogenidiperovskiittien nanokiteistä. Kahden kelvinin lämpötilassa kidevärähtelyt pysyvät hyvin määriteltyinä, jolloin kvanttitila voi kehittyä koherenttisti noin 10 pikosekunnin ajan, mikä vastaa monia värähtelyjä.

TU Dortmundin yliopiston kokeellinen ryhmä seurasi tätä evoluutiota suoraan ja havaitsi voimakkaita kvanttivärähtelyjä käyttämällä noin sadan femtosekunnin mittaisia laserpulsseja. Nämä värinät syntyvät, kun järjestelmässä on samanaikaisesti eri kvanttitilojen koherentti superpositio. Koska jokainen tila kehittyy hieman eri energialla, niiden kvanttiaallot interferoivat keskenään. Tämä interferenssi tuottaa rytmisen värähtelyn, kvantti-iskun.

Tuloksen tekee erityisen merkittäväksi kvantti-iskujen poikkeuksellisen voimakas amplitudi ja niiden pitkä koherenssi. Tämä alue pysyi kokeellisesti saavuttamattomana muissa kiinteissä järjestelmissä.

Löydökset tunnistavat perovskiitti-nanokiteet lupaavaksi alustaksi tulevaisuuden kvanttitekniikalle. Kyky hallita koherenttia eksitoni-fononi-dynamiikkaa voisi mahdollistaa uusia lähestymistapoja puolijohteiseen kvantti-informaation käsittelyyn, kvanttivalonlähteisiin ja yksittäisten fononien – yksittäisten kidevärähtelypakettien – generointiin.

Laajemmin ottaen työ osoittaa, että kidevärähtelyt, joita usein pidetään dekoherenssin lähteenä, voivat sen sijaan muuttua hyödylliseksi kvanttiresurssiksi.

Aiheesta aiemmin:

Polaronien muodostuminen havaittu

Pullisteleva perovskiitti