Международная команда исследователей из Технического университета Дортмунда, Санкт-Петербургского государственного университета, Университета ИТМО, Технологического института Санкт-Петербурга и Университета Джексона в США сделали важный шаг в развитии квантовых технологий, впервые напрямую наблюдав длительные «квантовые биения» в перовскитных нанокристаллах CsPbI₃. Исследование показало, что такие материалы способны необычно долго сохранять квантовое состояние, что открывает новые возможности для квантовой связи, фотоники и будущих квантовых вычислительных систем.
Перовскиты в последние годы считаются одними из самых многообещающих материалов в энергетике и оптоэлектронике. На их основе уже создают высокоэффективные солнечные батареи, светодиоды и лазеры. Но помимо прикладных свойств ученых интересует и необычная квантовая физика этих материалов. В отличие от традиционных полупроводников, в перовскитах электроны очень сильно взаимодействуют с колебаниями атомной решетки, так называемыми фононами. Из-за этого электронные возбуждения начинают вести себя не как отдельные частицы, а как гибридные состояния, связанные с колебаниями кристалла. Такие состояния называют экситон-поляронами.
Именно взаимодействие с колебаниями решетки обычно считается одной из главных проблем для квантовых технологий. Любые внешние возмущения быстро разрушают квантовую когерентность – особое состояние, при котором квантовая система может одновременно находиться сразу в нескольких состояниях. Во многих материалах такая когерентность исчезает всего за несколько пикосекунд. Однако в перовскитных нанокристаллах исследователи обнаружили необычный режим, при котором взаимодействие экситонов и фононов не разрушает когерентность мгновенно, а позволяет ей сохраняться значительно дольше.
Чтобы изучить это явление, ученые использовали сверхкороткие лазерные импульсы длительностью около 120 фемтосекунд и метод фотонного эха – один из самых чувствительных инструментов современной квантовой спектроскопии. Эксперименты проводились при температуре около 2 Кельвинов, то есть почти при абсолютном нуле. В этих условиях исследователям удалось увидеть, как разные экситон-поляронные состояния начинают интерферировать друг с другом, создавая характерные быстрые осцилляции сигнала – «квантовые биения». Фактически ученые впервые напрямую проследили когерентную динамику таких состояний в перовскитных нанокристаллах.
Важным результатом стало необычно долгое время когерентности. В исследованных нанокристаллах квантовое состояние сохранялось примерно 300 пикосекунд – рекордно долго для подобных перовскитных структур. Для сравнения: во многих других материалах когерентность разрушается в десятки и сотни раз быстрее из-за тепловых шумов и взаимодействия с окружающей средой.
Исследователи также обнаружили, что ключевую роль играют две низкоэнергетические моды колебаний решетки с энергиями 3,2 и 5,1 мэВ. Именно они определяют наблюдаемые квантовые биения. При этом оказалось, что свойства системы можно регулировать, меняя размер нанокристаллов. Чем меньше частица, тем сильнее взаимодействие экситонов с колебаниями решетки. Это означает, что квантовые свойства материала потенциально можно «настраивать» под конкретные задачи, например, изменять скорость и характер квантовых процессов еще на этапе синтеза нанокристаллов.
Ученые считают, что полученные результаты важны сразу для нескольких направлений. С одной стороны они помогают лучше понять фундаментальную физику перовскитов, которая до сих пор остается предметом активных исследований. С другой – открывают путь к созданию управляемых квантовых состояний в твердотельных материалах. Именно такие состояния считаются одной из основ будущих квантовых коммуникаций, сверхчувствительных сенсоров и элементов квантовых вычислительных систем.
