Super-réseaux au microscope (éclairage en lumière blanche). Crédit :Empa
Les photo-émetteurs excités peuvent coopérer et rayonner simultanément, un phénomène appelé superfluorescence. Chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich, avec des collègues d'IBM Research Zurich, ont récemment été en mesure de créer cet effet avec des super-réseaux de nanocristaux ordonnés à longue distance. Cette découverte pourrait permettre de futurs développements dans l'éclairage LED, détection quantique, communication quantique et future informatique quantique. L'étude vient d'être publiée dans la célèbre revue La nature .
Certains matériaux émettent spontanément de la lumière s'ils sont excités par une source externe, par exemple un laser. Ce phénomène est connu sous le nom de fluorescence. Cependant, dans plusieurs gaz et systèmes quantiques, une émission de lumière beaucoup plus forte peut se produire, lorsque les émetteurs d'un ensemble synchronisent spontanément leur phase de mécanique quantique les uns avec les autres et agissent ensemble lorsqu'ils sont excités. De cette façon, le flux lumineux résultant peut être beaucoup plus intense que la somme des émetteurs individuels, conduisant à une émission de lumière ultrarapide et lumineuse – la superfluorescence. Il se produit seulement, cependant, lorsque ces émetteurs satisfont à des exigences strictes, comme avoir la même énergie d'émission, force de couplage élevée au champ lumineux et un long temps de cohérence. En tant que tel, ils interagissent fortement les uns avec les autres mais en même temps ne sont pas facilement dérangés par leur environnement. Cela n'a pas été possible jusqu'à présent en utilisant des matériaux technologiquement pertinents. Les points quantiques colloïdaux pourraient bien être le ticket; ils sont éprouvés, solution commercialement attrayante déjà utilisée dans les écrans de télévision LCD les plus avancés - et ils répondent à toutes les exigences.
Chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich, dirigé par Maksym Kovalenko, avec des collègues d'IBM Research Zurich, ont maintenant montré que la génération la plus récente de points quantiques en pérovskites aux halogénures de plomb offre une voie élégante et pratique vers la superfluorescence à la demande. Pour ça, les chercheurs ont arrangé des points quantiques de pérovskite dans un super-réseau tridimensionnel, qui permet l'émission collective cohérente de photons – créant ainsi une superfluorescence. Ceci fournit la base pour les sources d'états multi-photons intriqués, une ressource clé manquante pour la détection quantique, l'imagerie quantique et l'informatique quantique photonique.
A gauche :Super-réseaux sous le microscope (éclairage en lumière blanche). Image :Empa À droite :Image de photoluminescence en microscopie confocale 3D des super-réseaux (excitation avec la lumière violette à 405 nm). Crédit :B.M. Bénin, ETH Zurich; PortéeM
"Oiseaux d'une plume volent ensemble"
Un couplage cohérent entre les points quantiques nécessite, cependant, qu'ils ont tous la même taille, forme et composition parce que "les oiseaux d'une plume se rassemblent" dans l'univers quantique, trop. "De tels super-réseaux ordonnés à longue distance ne pouvaient être obtenus qu'à partir d'une solution hautement monodisperse de points quantiques, dont la synthèse avait été soigneusement optimisée au cours des dernières années, " dit Maryna Bodnarchuk, scientifique senior à l'Empa. Avec de tels points quantiques "uniformes" de différentes tailles, l'équipe de recherche pourrait alors former des super-réseaux en contrôlant correctement l'évaporation du solvant.
La preuve finale de la superfluorescence est venue d'expériences optiques réalisées à des températures d'environ moins 267 degrés Celsius. Les chercheurs ont découvert que des photons étaient émis simultanément dans une rafale lumineuse :« C'était notre moment « Eureka ! ». " a déclaré Gabriele Rainó de l'ETH Zurich et de l'Empa, qui faisait partie de l'équipe qui a réalisé les expériences optiques.
Les chercheurs considèrent ces expériences comme un point de départ pour exploiter davantage les phénomènes quantiques collectifs avec cette classe unique de matériaux. "Comme les propriétés de l'ensemble peuvent être augmentées par rapport à la simple somme de ses parties, on peut aller bien au-delà de l'ingénierie des points quantiques individuels, " a ajouté Michael Becker de l'ETH Zurich et d'IBM Research. La génération contrôlée de superfluorescence et la lumière quantique correspondante pourraient ouvrir de nouvelles possibilités dans l'éclairage LED, détection quantique, communication cryptée quantique et future informatique quantique.
