I fotoemettitori eccitati possono cooperare e irradiare simultaneamente, un fenomeno chiamato superfluorescenza. Ricercatori dell'Empa e dell'ETH di Zurigo, insieme ai colleghi di IBM Research Zurich, sono stati recentemente in grado di creare questo effetto con superreticoli di nanocristalli ordinati a lungo raggio. Questa scoperta potrebbe consentire sviluppi futuri nell'illuminazione a LED, rilevamento quantistico, comunicazione quantistica e calcolo quantistico futuro. Lo studio è stato appena pubblicato sulla rinomata rivista Natura .

Alcuni materiali emettono luce spontaneamente se eccitati da una sorgente esterna, per esempio un laser. Questo fenomeno è noto come fluorescenza. Però, in diversi gas e sistemi quantistici può verificarsi un'emissione di luce molto più forte, quando gli emettitori all'interno di un insieme sincronizzano spontaneamente la loro fase quantomeccanica tra loro e agiscono insieme quando eccitati. In questo modo, l'emissione luminosa risultante può essere molto più intensa della somma dei singoli emettitori, portando ad un'emissione di luce ultraveloce e brillante - superfluorescenza. Si verifica solo, però, quando tali emettitori soddisfano requisiti rigorosi, come avere la stessa energia di emissione, elevata forza di accoppiamento al campo luminoso e lungo tempo di coerenza. Come tale, interagiscono fortemente tra loro ma allo stesso tempo non sono facilmente disturbati dal loro ambiente. Finora ciò non è stato possibile utilizzando materiali tecnologicamente rilevanti. I punti quantici colloidali potrebbero essere solo il biglietto; sono una provata, soluzione commercialmente accattivante già impiegata nei più avanzati schermi televisivi LCD – e soddisfano tutti i requisiti.

Ricercatori dell'Empa e dell'ETH di Zurigo, guidato da Maksym Kovalenko, insieme ai colleghi di IBM Research Zurich, hanno ora dimostrato che la più recente generazione di punti quantici fatti di perovskiti ad alogenuri di piombo offre un percorso elegante e praticamente conveniente per la superfluorescenza su richiesta. Per questo, i ricercatori hanno organizzato punti quantici di perovskite in un superreticolo tridimensionale, che consente l'emissione collettiva coerente di fotoni, creando così superfluorescenza. Questo fornisce la base per le sorgenti di stati multi-fotoni entangled, una risorsa chiave mancante per il rilevamento quantistico, imaging quantistico e calcolo quantistico fotonico.

"Dio li fa e poi li accoppia"

Un accoppiamento coerente tra punti quantici richiede, però, che hanno tutte le stesse dimensioni, forma e composizione perché "uccelli di una piuma volano insieme" nell'universo quantistico, pure. "Tali superreticoli ordinati a lungo raggio potrebbero essere ottenuti solo da una soluzione altamente monodispersa di punti quantici, la cui sintesi era stata accuratamente ottimizzata negli ultimi anni, " disse Maryna Bodnarchuk, uno scienziato senior all'Empa. Con tali punti quantici "uniformi" di varie dimensioni, il team di ricerca potrebbe quindi formare superreticoli controllando adeguatamente l'evaporazione del solvente.

La prova finale della superfluorescenza è arrivata da esperimenti ottici eseguiti a temperature di circa meno 267 gradi Celsius. I ricercatori hanno scoperto che i fotoni venivano emessi simultaneamente in un lampo luminoso:"Questo era il nostro momento 'Eureka!'. Nel momento in cui ci siamo resi conto che si trattava di una nuova fonte di luce quantistica, " ha detto Gabriele Rainó dell'ETH di Zurigo e dell'Empa che faceva parte del team che ha effettuato gli esperimenti ottici.

I ricercatori considerano questi esperimenti come un punto di partenza per sfruttare ulteriormente i fenomeni quantistici collettivi con questa classe unica di materiale. "Poiché le proprietà dell'insieme possono essere potenziate rispetto alla sola somma delle sue parti, si può andare ben oltre l'ingegneria dei singoli punti quantici, " ha aggiunto Michael Becker dell'ETH di Zurigo e IBM Research. La generazione controllata di superfluorescenza e la corrispondente luce quantistica potrebbero aprire nuove possibilità nell'illuminazione a LED, rilevamento quantistico, comunicazione crittografata quantistica e informatica quantistica futura.