Un nuevo estudio en Naturaleza describe tanto el mecanismo como las condiciones del materials necesarias para la superfluorescencia a temperatura ambiente. El trabajo podría servir como un plan para diseñar materiales que permitan estados cuánticos exóticos, como la superconductividad, la superfluencia o la superfluorescencia, a altas temperaturas, allanando el camino para aplicaciones como computadoras cuánticas que no requieren temperaturas extremadamente bajas para operar.
El equipo internacional que realizó el trabajo fue dirigido por la Universidad Estatal de Carolina del Norte e incluyó investigadores de la Universidad de Duke, la Universidad de Boston y el Institut Polytechnique de Paris.
“En este trabajo, mostramos razones experimentales y teóricas detrás de la coherencia cuántica macroscópica a alta temperatura”, cube Kenan Gundogdu, profesor de física en el estado de Carolina del Norte y autor correspondiente del estudio. “En otras palabras, finalmente podemos explicar cómo y por qué algunos materiales funcionarán mejor que otros en aplicaciones que requieren estados cuánticos exóticos a temperaturas ambientales”.
Think about una escuela de peces que nadan al unísono o al flasheo sincronizado de luciérnagas: ejemplos de comportamiento colectivo en la naturaleza. Cuando ocurre un comportamiento colectivo comparable en el mundo cuántico, un fenómeno conocido como transición de fase cuántica macroscópica, conduce a procesos exóticos como la superconductividad, la superfluencia o la superfluorescencia. En todos estos procesos, un grupo de partículas cuánticas forma un sistema macroscópicamente coherente que actúa como una partícula cuántica gigante.
Sin embargo, las transiciones de fase cuántica normalmente requieren condiciones súper frías o criogénicas para ocurrir. Esto se debe a que las temperaturas más altas crean “ruido” térmico que interrumpe la sincronización y evita la transición de fase.
En un estudio anterior, Gundogdu y sus colegas habían determinado que la estructura atómica de algunas perovskitas híbridas protegía a los grupos de partículas cuánticas del ruido térmico lo suficiente para que ocurra la transición de fase. En estos materiales, los grandes polarones, grupos de átomos unidos a electrones, formados, aislando dipolos emisores de luz de la interferencia térmica y permiten la superfluorescencia.
En el nuevo estudio, los investigadores descubrieron cómo funciona el efecto aislante. Cuando usaron un láser para excitar los electrones dentro de la perovskita híbrida que estudiaron, vieron grandes grupos de polarones unirse. Esta agrupación se llama solitón.
“Think about la purple atómica como una tela fina estirada entre dos puntos”, cube Gundogdu. “Si coloca bolas sólidas, que representan excitones, en la tela, cada bola deforma la tela localmente. Para obtener un estado exótico como la superfluorescencia, necesita todos los excitones, o bolas, para formar un grupo coherente e interactuar con la purple como una unidad, pero a altas temperaturas, el ruido térmico previene esto.
“La pelota y su deformación native juntas forman un polaron”, continúa Gundogdu. “Cuando estos polarones pasan de una distribución aleatoria a una formación ordenada en la purple, hacen un solitón o unidad coherente. El proceso de formación de solitones amortigua las perturbaciones térmicas, que de otro modo impiden los efectos cuánticos”.
“Un solitón solo se forma cuando hay suficiente densidad de polarones excitados en el materials”, cube Mustafa Türe, NC State Ph.D. Estudiante y co-primero autor del artículo. “Nuestra teoría muestra que si la densidad de los polarones es baja, el sistema solo tiene polarones incoherentes libres, mientras que más allá de una densidad umbral, los polarones evolucionan hacia solitones”.
“En nuestros experimentos medimos directamente la evolución de un grupo de polarones de una fase incoherente no correlacionada a una fase ordenada”, agrega Melike Biliroglu, investigador postdoctoral en NC State y co-primero autor del trabajo. “Esta es una de las primeras observaciones directas de la formación de estado cuántico macroscópico”.
Para confirmar que la Formación Soliton suprime los efectos perjudiciales de la temperatura, el grupo trabajó con Volker Blum, el Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales en Duke, para calcular las oscilaciones de purple responsables de la interferencia térmica. También colaboraron con Vasily Temnov, profesor de física en CNRS y Ecole Polytechnique, para simular la dinámica de recombinación del solitón en presencia de ruido térmico. Su trabajo confirmó los resultados experimentales y verificó la coherencia intrínseca del solitón.
El trabajo representa un salto hacia adelante para comprender tanto cómo y por qué ciertas perovskitas híbridas pueden exhibir estados cuánticos exóticos.
“Antes de este trabajo, no estaba claro si había un mecanismo detrás de los efectos cuánticos de alta temperatura en estos materiales”, cube Franky SO, coautor del documento y el profesor distinguido de ciencia e ingeniería de materiales de Walter e Ida Freeman en NC State.
“Este trabajo muestra una teoría cuantitativa y la respalda con los resultados experimentales”, cube Gundogdu. “Los efectos cuánticos macroscópicos, como la superconductividad, son clave para todas las tecnologías cuánticas que estamos buscando (comunicación cuántica, criptología, detección y cálculo) y todas ellas están actualmente limitadas por la necesidad de bajas temperaturas. Pero ahora que entendemos la teoría, tenemos pautas para diseñar nuevos materiales cuánticos que pueden funcionar a altas temperaturas, lo que es un gran paso adelante”.
El trabajo está respaldado por el Departamento de Energía, Oficina de Ciencias (Grant no. De-SC0024396). Investigadores Xixi Qin y Uthpala Herath de la Universidad de Duke; Anna Swan de la Universidad de Boston; y Antonia Ghita del Institut Polytechnique de Paris, también contribuyó al trabajo.
