《自然》（Nature）杂志上的一项研究描述了室温超荧光的机制和必要的材料条件。这项工作可以作为设计材料的蓝图，这些材料可以在高温下实现奇异的量子态，如超导、超流或超荧光，为量子计算机等不需要极低温度就能运行的应用铺平道路。
完成这项研究的国际团队由北卡罗莱纳州立大学领导，成员包括来自杜克大学、波士顿大学和巴黎综合理工学院的研究人员。
“在这项研究中，我们展示了高温下宏观量子相干性背后的实验和理论原因，”该研究的通讯作者、北卡罗来纳州立大学物理学教授凯南-贡多格杜（Kenan Gundogdu）说。
“换句话说，我们终于可以解释，为什么某些材料在需要环境温度下奇异量子态的应用中比其他材料表现更好。”
想象一下鱼群齐游或萤火虫同步闪烁的场景--这些都是自然界中集体行为的例子。当类似的集体行为发生在量子世界时--一种被称为宏观量子相变的现象--会导致超导、超流或超荧光等奇异的过程。
在所有这些过程中，一组量子粒子形成一个宏观相干系统，其行为就像一个巨大的量子粒子。
然而，量子相变通常需要在超低温或低温条件下才能发生。这是因为较高的温度会产生热“噪声”，从而扰乱同步，并阻碍相变。
在之前的一项研究中，贡多格杜及其同事确定，一些混合包光体的原子结构保护了量子粒子群免受热噪声的影响，使相变发生的时间足够长。
在这些材料中，形成了大极子--与电子结合在一起的原子团，使发光偶极子免受热干扰，从而产生超荧光。
在这项新研究中，研究人员发现了这种绝缘效应是如何起作用的。当他们用激光激发所研究的混合过氧化物中的电子时，他们看到大群极子聚集在一起。这种分组被称为孤子。
“将原子晶格想象成在两点之间拉伸的细布，”贡多格杜说。“如果把代表激子的实心球放在布上，每个球都会使布局部变形。要获得像超荧光这样的奇异状态，你需要所有的激子或球形成一个相干的群，并作为一个单元与晶格相互作用，但在高温下，热噪声阻碍了这一点。
贡多格杜继续说道：“球及其局部变形共同形成了极子。”
当这些极子在晶格中从随机分布过渡到有序形成时，它们就形成了一个孤子或相干单元。孤子的形成过程可以抑制热扰动，否则会阻碍量子效应的产生。
论文共同第一作者、北卡罗莱纳州立大学博士生穆斯塔法·图雷（Mustafa Türe）说：“只有当材料中激发的极子密度足够大时，孤子才会形成。”
“我们的理论表明，如果极子密度较低，系统中就只有自由的非相干极子，而当密度超过阈值时，极子就会演化成孤子。”
“在我们的实验中，我们直接测量了一组极子从不连贯不相关相向有序相演化的过程，"北卡罗莱纳州立大学博士后研究员、该研究成果的共同第一作者梅里克·比里罗格鲁（Melike Biliroglu）补充说。
“这是对宏观量子态形成的首次直接观测之一。”
为了证实孤子的形成抑制了温度的有害影响，该研究小组与杜克大学机械工程与材料科学鲁尼家族副教授沃尔克-布卢姆（Volker Blum）合作，计算了造成热干扰的晶格振荡。
他们还与法国国家科学研究中心和巴黎综合理工学院物理学教授瓦西里·特姆诺夫（Vasily Temnov）合作，模拟了孤子在热噪声下的重组动力学。他们的工作证实了实验结果，并验证了孤子的内在相干性。
这项工作标志着在理解某些混合包晶如何以及为何能够呈现奇异量子态方面取得了飞跃性进展。
论文合著者、北卡罗莱纳州立大学材料科学与工程系沃尔特-弗里曼和艾达-弗里曼杰出教授弗兰基-苏（ Franky So ）说：“在这项工作之前，我们并不清楚这些材料的高温量子效应背后是否存在某种机制。”
凯南-贡多格杜（Kenan Gundogdu）说：“这项工作展示了一种定量理论，并以实验结果为依据。”
超导等宏观量子效应是我们所追求的所有量子技术--量子通信、密码学、传感和计算--的关键，而目前所有这些技术都受限于对低温的需求。但现在我们理解了这一理论，就有了设计能在高温下发挥作用的新型量子材料的指导方针，这是向前迈出的一大步。”
