Una perovskite comunemente studiata può diventare superfluorescenza a temperature che sono pratiche da raggiungere e in tempi sufficientemente lunghi da renderla potenzialmente utile nelle applicazioni di calcolo quantistico. La scoperta dei ricercatori della North Carolina State University indica anche che la superfluorescenza potrebbe essere una caratteristica comune per l'intera classe di materiali.

La superfluorescenza è un esempio di transizione di fase quantistica, quando i singoli atomi all'interno di un materiale si muovono tutti attraverso le stesse fasi in tandem, diventando un'unità sincronizzata.

Per esempio, quando gli atomi in un materiale ottico come una perovskite sono eccitati possono irradiare luce individualmente, creare energia, e fluorescente. Ogni atomo inizierà a muoversi casualmente attraverso queste fasi, ma date le giuste condizioni, possono sincronizzarsi in una transizione di fase quantistica macroscopica. Quell'unità sincronizzata può quindi interagire con i campi elettrici esterni più fortemente di quanto potrebbe fare un singolo atomo, creando un lampo superfluorescente.

"Le istanze di sincronizzazione spontanea sono universali, che si verificano in tutto, dalle orbite planetarie alle lucciole che sincronizzano i loro segnali, "dice Kenan Gundogdu, professore di fisica presso NC State e corrispondente autore della ricerca. "Ma nel caso di materiali solidi, si pensava che queste transizioni di fase avvenissero solo a temperature estremamente basse. Questo perché gli atomi si spostano fuori fase troppo rapidamente perché si verifichi la sincronizzazione, a meno che il tempo non venga rallentato dal raffreddamento".

Gundogdu e il suo team hanno osservato la superfluorescenza nello ioduro di piombo perovskite metil ammonio, o MAPbi ₃ , esplorando le sue proprietà laser. Le perovskiti sono materiali con una struttura cristallina e proprietà di emissione di luce utili nella creazione di laser, tra le altre applicazioni. costano poco, relativamente semplice da fabbricare, e sono utilizzati nel fotovoltaico, sorgenti luminose e scanner.

"Quando si cerca di capire le dinamiche dietro MAPbI ₃ le proprietà del laser, abbiamo notato che le dinamiche che abbiamo osservato non possono essere descritte semplicemente dal comportamento laser, "Dice Gundogdu. "Normalmente nel laser una particella eccitata emette luce, stimolarne un altro, e così via in un'amplificazione geometrica. Ma con questo materiale abbiamo visto la sincronizzazione e una transizione di fase quantistica, con conseguente superfluorescenza."

Ma gli aspetti più sorprendenti della superfluorescenza erano che si verificava a 78 Kelvin e aveva una durata di fase compresa tra 10 e 30 picosecondi.

"Generalmente la superfluorescenza si verifica a temperature estremamente fredde che sono difficili e costose da raggiungere, e dura solo per femtosecondi, " dice Gundogdu. "Ma 78 K è circa la temperatura del ghiaccio secco o dell'azoto liquido, e la durata della fase è di due o tre ordini di grandezza più lunga. Ciò significa che abbiamo unità macroscopiche che durano abbastanza a lungo da essere manipolate".

I ricercatori pensano che questa proprietà possa essere più diffusa nelle perovskiti in generale, che potrebbe rivelarsi utile in applicazioni quantistiche come l'elaborazione o l'archiviazione di computer.

"L'osservazione della superfluorescenza nei materiali allo stato solido è sempre un grosso problema perché finora l'abbiamo vista solo in cinque o sei materiali, "Dice Gundogdu. "Poter osservarlo a temperature più elevate e tempi più lunghi apre le porte a molte eccitanti possibilità".

L'opera appare in Fotonica della natura ed è sostenuto dalla National Science Foundation (sovvenzione 1729383). Gli studenti laureati della NC State Gamze Findik e Melike Biliroglu sono co-primi autori. Franky così, Walter e Ida Freeman Distinguished Professor of Materials Science and Engineering, è coautore.