近期，麻省理工学院的研究人员通过将钙钛矿材料夹在两个反射镜之间，并利用激光束刺激它们，能够控制系统中某些“准粒子”的动量。这些准粒子被称为激子-极化子对，是光和物质的混合体。该研究可以有效地弥合物质和光之间的差距，有望使得如今传统计算机以及量子计算机的基本组成部分量子比特的运行速度大大提高，而且它可以在室温下运行，不需要极低温这样的极端条件。这项成果以“Uncovering temperature-dependent exciton-polariton relaxation mechanisms in hybrid organic-inorganic perovskites”为题发表在Nature Communications上(DOI: 10.1038/s41467-023-37772-7)。论文作者为麻省理工学院的应届毕业生 Madeleine Laitz博士、Dane deQuilettes博士后、Vladimir Bulovic教授、Moungi Bawendi、Keith Nelson以及其他七人。
器件结构示意图，钙钛矿材料夹在两个反射镜之间。
Madeleine Laitz表示，激子-极化子最吸引人的地方在于它们位于电子系统和光子系统之间的光谱上，因此其兼具两者特性。所以研究人员可以利用这种“准粒子”同时控制光子系统和电子系统。比如，电子系统中的电子晶体管在器件之间的每个界面上都有固有的电容效应损失;而且光子系统中的光子很难发生相互作用，必须依靠复杂的干涉方案才行。相比之下，该团队可以利用激子-极化子来控制多个变量。
Bulovic称，激子-极化子是“光和中性电荷的结合状态”，所以研究人员可以通过光或者是电荷来调节这种状态。因此人们能够利用这个“杠杆”来以更节能的方式操纵这种物质的组合状态。更重要的是，研究中所使用的钙钛矿在室温下就可以进行实验，而且该材料通过溶液加工的方法就能够制造，非常简便。因此一旦设计出实用的系统，就可以相对容易地大规模生产。到目前为止，该项目还处于早期阶段，因为研究人员仍在研究新发现的影响，他们表示，距离实际应用可能还得需要5到10年的时间。
近年来，钙钛矿作为新型轻量化、柔性太阳能光伏板材料备受关注。研究团队对其性能和制备方法进行了大量的研究，最终选定了一种叫做苯乙基碘化铅铵的钙钛矿。Bulovic表示，卤化物钙钛矿可以很好地收集光，并将光子转化为电子或激子，这取决于钙钛矿的尺寸和材料特性。这就是为什么研究人员选择了这类大型材料的特殊版本进行研究。
然后，为了设计出能够捕获光子的光学微腔，研究人员在两个反射镜之间放置了两个只有几十纳米厚的超薄钙钛矿薄片，并用间隔层间隔出精确的距离，这样反射镜就被钙钛矿材料吸收和发射的半波长隔开了。
研究团队通过调节泵浦激光，使得钙钛矿发出绿光，并在两个反射镜之间来回反射。“绿光被钙钛矿重新吸收，再发射，再吸收，再发射，再吸收，如此快速地一遍又一遍重复，以至于在光子和激子之间相互转换，这样就产生了两者的叠加，也就是激子-极化子”，Laitz讲道。接下来可以导致材料物质状态变成玻色-爱因斯坦凝聚态。在这种状态下，所有的粒子都具有相同的能量状态，表现得很像一个大粒子。这种凝聚态的物质有一种被称为自旋的特性，它可以通过光或电刺激来改变，由此产生的变化可以通过光谱成像系统观察材料的光致发光来测量。与光子之间几乎没有相互作用的纯光子系统不同，这些材料与光和电子都有很强的相互作用。到目前为止，虽然已经有人制成了这种凝聚态阵列，但通常只能在超低温下产生。“钙钛矿提供了在室温下实现这种现象的机会，但在其中很难形成凝聚态”，Laitz讲道。论文中提到，该团队从材料的角度和设备的角度提出了几种策略来实现这一点，这可能是最终实现室温量子比特的关键一步。虽然这种设备可能需要几年的时间来研发，但新发现的近期应用可能是生产新型发光设备，包括可以通过电子控制的可操纵光源的定向输出等。
