鉛ハライドペロブスカイトナノ結晶超格子で制御可能な超蛍光を実現

オンデマンドで超蛍光を得るため、鉛ハライドペロブスカイト製量子ドットを使用
-267°Cで光学実験を実施、超蛍光の決定的証拠を取得

いくつかの物質は、レーザーや他の外部ソースによって励起されると継続的に光を放出する傾向があります。このメカニズムは蛍光と呼ばれます。しかし、多くの量子系では、自発的に光を放出する傾向がはるかに強くなります。

このような系が外部ソースによって励起されると、それらは互いに量子力学的位相を同期させ、個々の放出体の合計よりもはるかに強い出力（光の形で）を生み出します。これにより、明るく超高速な光の放出、すなわち超蛍光が生じます。

しかし、これは放出体が特定の要件を満たす場合にのみ起こります。たとえば、光場との高い結合強度、より長いコヒーレンス時間、同じ放出エネルギーを持つ必要があります。また、周囲によって攪乱されることなく互いに完全に相互作用できる必要があります。これまで、科学者たちは技術的に関連する数千の物質を用いてこの偉業を達成できていませんでした。

最近、ETHチューリッヒとEmpaの研究者たちが、長距離秩序ナノ結晶超格子を用いてこの効果を創出しました。これは量子コンピューティング、量子センシング、量子暗号通信、LED照明の開発への道を開く可能性があります。

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

コロイド量子ドット

オンデマンドで超蛍光を得るため、著者たちは鉛ハライドペロブスカイト製の量子ドットを使用しました。ペロブスカイト量子ドットを3D超格子に整列させ、光（光子）のコヒーレントな集団放出を可能にし、超蛍光を生成しました。これは20倍以上加速された放射崩壊を伴う動的赤方偏移放出です。

超格子の顕微鏡像（白色光照射） | Credit: Empa

コヒーレント結合のためには、量子ドットは同じサイズ、形状、組成を持つ必要があります。極めて単分散な量子ドット溶液が長距離秩序超格子を作るために必要です。このような溶液は過去数年間で徹底的に改良されてきました。

著者たちによると、溶媒の蒸発を慎重に制御することで、さまざまなサイズの均一な量子ドットを用いて超格子を生成できました。全体として、これはエンタングルされた多光子位相のリソースの基盤を提供します。これは光子量子コンピューティング、量子イメージング、センシングに欠けていた源です。

研究者たちは極めて低温、ほぼ-267°Cで光学実験を実施し、これが超蛍光の決定的証拠となりました。光子が明るいバーストで自発的に放出されること、すなわち新規量子光源であることを発見しました。

これらの実験は、鉛ハライドペロブスカイトを用いた集団量子現象の更なる探求を科学者たちに助けるでしょう。このユニークなタイプの材料の特性はさらに向上させられるため、各量子ドットのエンジニアリングを超えたことの探求が可能になります。

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