科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)牽頭的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然》雜志發(fā)文，詳細(xì)闡述了在室溫下實(shí)現(xiàn)超熒光現(xiàn)象所需的機(jī)制與材料條件。這項(xiàng)研究有助設(shè)計(jì)能在室溫下實(shí)現(xiàn)奇異量子態(tài)（如超導(dǎo)、超流或超熒光）的材料，從而推動(dòng)無(wú)需極低溫度即可運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)等應(yīng)用的發(fā)展。

研究首次展示了在室溫下產(chǎn)生宏觀量子相干性的實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。換句話說(shuō)，研究人員終于可解釋清楚，為什么某些材料在實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度下的奇異量子態(tài)方面表現(xiàn)更好。

就像一群魚(yú)同步游動(dòng)或螢火蟲(chóng)協(xié)同閃爍，量子世界中也存在類(lèi)似的集體現(xiàn)象，這被稱為“宏觀量子相變”。它能引發(fā)超導(dǎo)、超流或超熒光等奇異現(xiàn)象。這些現(xiàn)象本質(zhì)上是大量量子粒子同步行為，形成一個(gè)整體量子態(tài)系統(tǒng)，像一個(gè)巨大的量子粒子一樣運(yùn)作。

然而，通常這類(lèi)量子相變僅能在超低溫（即低至接近絕對(duì)零度的條件）下發(fā)生，因?yàn)楦邷叵碌臒嵩肼晻?huì)干擾粒子間的同步，阻止量子態(tài)的形成。

此前研究發(fā)現(xiàn)，某些雜化鈣鈦礦材料的原子結(jié)構(gòu)可保護(hù)量子粒子團(tuán)體，使其免受熱噪聲干擾，為超熒光的發(fā)生創(chuàng)造了條件。在這類(lèi)材料中，電子與周?chē)有纬傻摹按髽O化子”起到了隔離作用。

在最新研究中，研究人員進(jìn)一步揭示了這一“隔熱”效應(yīng)的具體機(jī)制。當(dāng)他們使用激光激發(fā)雜化鈣鈦礦材料中的電子時(shí)，發(fā)現(xiàn)大量極化子開(kāi)始聚集，形成所謂的“孤子”結(jié)構(gòu)。

如果把原子晶格想象成一張被拉緊的細(xì)布，那么將一個(gè)代表激子的球放在布上，會(huì)局部壓陷布面。要形成宏觀量子態(tài)，所有激子必須協(xié)調(diào)一致并與晶格形成整體，但熱噪聲會(huì)打亂這種協(xié)調(diào)。而“球+壓陷”結(jié)構(gòu)就是極化子，極化子從無(wú)序狀態(tài)過(guò)渡到有序結(jié)構(gòu)，就形成了孤子。實(shí)驗(yàn)首次直接測(cè)量了極化子從無(wú)序、無(wú)關(guān)聯(lián)狀態(tài)向有序狀態(tài)演變的過(guò)程，直接觀察到宏觀量子態(tài)的形成過(guò)程。

宏觀量子態(tài)如超導(dǎo)性，是所有量子技術(shù)的核心基礎(chǔ)，而當(dāng)前所有技術(shù)都受限于對(duì)低溫環(huán)境的需求?，F(xiàn)在，科學(xué)家理解了其中原理，也就掌握了設(shè)計(jì)高溫工作量子材料的準(zhǔn)則，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。