Wetenschappers Bereiken Gecontroleerde Superfluorescentie Met Lead Halide Perovskiet Nanokristal Superlattices

• Om superfluorescentie op aanvraag te verkrijgen, gebruikten onderzoekers kwantumdots van lead halide perovskieten.
• Ze voerden optische experimenten uit bij -267°C, wat het definitieve bewijs van superfluorescentie gaf.

Enkele materialen hebben de neiging om continu licht te emitteren wanneer ze geëxciteerd worden door een laser of een andere externe bron. Dit mechanisme heet fluorescentie. Echter, in veel kwantumsystemen is de neiging om spontaan licht te emitteren veel sterker.

Wanneer dergelijke systemen geëxciteerd worden door een externe bron, synchroniseren ze hun kwantummechanische fase met elkaar, wat resulteert in een veel intensere output (in de vorm van licht) dan de individuele emitters gecombineerd. Dit leidt tot een heldere en ultrakorte emissie van licht, nl. superfluorescentie.

Echter, dit gebeurt alleen wanneer emitters aan specifieke eisen voldoen, bijvoorbeeld ze moeten een hoge koppelsterkte met het lichtveld hebben, een langere coherentietijd, en dezelfde emissie-energie. Ook moeten ze in staat zijn om volledig met elkaar te interageren zonder gestoord te worden door hun omgeving. Tot nu toe zijn wetenschappers niet in staat geweest dit prestatie te behalen door duizenden technologisch relevante stoffen te gebruiken.

Onlangs creëerden onderzoekers van ETH Zürich en Empa dit effect met behulp van lange-afstand geordende nanokristal superlattices. Dit kan de weg banen voor de ontwikkeling van quantum computing, quantum sensing, quantum-geëncrypteerde communicatie, alsook LED-verlichting.

Referentie: Nature | doi:10.1038/s41586-018-0683-0 | Empa

Colloïdale Kwantumdots

Om superfluorescentie op aanvraag te verkrijgen, gebruikten de auteurs kwantumdots van lead halide perovskieten. Ze organiseerden perovskiet kwantumdots in een 3D superlattice, wat coherente collectieve emissie van licht (fotonen) mogelijk maakte, wat superfluorescentie creëert. Het is dynamisch rood-verschuivende emissie met meer dan 20-voudig versnelde radiatieve verval.

Microscopisch zicht van superlattices (wit lichtverlichting) | Credit: Empa

Voor coherente koppeling moeten de kwantumdots dezelfde grootte, vorm en samenstelling hebben. Een extreem monodisperse kwantumdot-oplossing is vereist om lange-afstand geordende superlattices te maken. En dergelijke oplossingen zijn de afgelopen paar jaar grondig verbeterd.

De auteurs stelden dat door de verdamping van het oplosmiddel zorgvuldig te hanteren, ze superlattices konden produceren, met behulp van uniforme kwantumdots van variërende grootte. Over het algemeen biedt het de basis voor bronnen van verstrengelde multi-fotonen fasen – een ontbrekende bron voor fotonische quantum computing, quantum imaging en sensing.

De onderzoekers voerden optische experimenten uit bij extreem lage temperaturen, bijna -267°C, wat het definitieve bewijs van superfluorescentie gaf. Ze vonden dat fotonen spontaan in een heldere burst werden uitgezet – een nieuwe kwantumlichtbron.

Lees ook: Nieuwe Electro-Optische Laser Emiteert 30 Miljard Pulsen Per Seconde

Deze experimenten zullen wetenschappers helpen de collectieve kwantumfenomenen met lead halide perovskieten verder te verkennen. Aangezien de eigenschappen van dit unieke type materiaal verder verbeterd kunnen worden, is het mogelijk om dingen te verkennen die verder gaan dan het engineeren van elke kwantumdot.