DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10637-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42236939
تاريخ النشر: 2026-06-03
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات الضوء والمادة القوية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم تقدمًا كبيرًا في مجال السوبرفلوريسنس (SF)، تحديدًا أول ملاحظة للسوبرفلوريسنس الكيرالي (chiral SF) من حالات الحافة في هياكل بيروفسكايت كيرالية عمودية كبيرة المساحة في درجة حرارة الغرفة. تسلط الدراسة الضوء على الانتقال من الانبعاث العشوائي غير المستقطب وغير المتماسك إلى حالة SF كيرالية متماسكة، مدعومة بحسابات نظرية في البصريات الكمومية. هذه الحسابات تعيد بنجاح إنتاج الاستقطاب الدائري الملحوظ تجريبيًا بحوالي 14%، بالإضافة إلى عكس إشارته مع تغييرات في اتجاه المادة.
بالإضافة إلى ذلك، تُظهر الأبحاث أن كل من شدة ودرجة الاستقطاب الدائري للسوبرفلوريسنس الكيرالي يمكن تعديلها من خلال تطبيق مجال مغناطيسي ضعيف. تتيح هذه القدرة على التعديل التحكم الدقيق في انبعاث الضوء الكمومي في الأنظمة الصلبة عند درجة حرارة الغرفة. تؤكد النتائج على التفاعل بين الكيرالية والتماسك الكمومي متعدد الجسيمات، مما يفتح آفاقًا جديدة للتطبيقات في البصريات الكمومية التي تتحكم فيها الكيرالية.
مقدمة
تناقش المقدمة ظواهر السوبرفلوريسنس (SF) والسوبرريدانس، وكلاهما ينطوي على تعزيز انبعاث الضوء من مجموعات من المنبعثات الكمومية بسبب التفاعلات التعاونية مع الضوء والمادة. بينما غالبًا ما يتم استخدامهما بالتبادل، فإن السوبرريدانس يتعلق بالحالات الأولية المرتبطة، بينما تنشأ SF من حالات غير مرتبطة في البداية تتطور إلى لحظات ثنائية معززة من خلال التفاعلات مع الفراغ الكهرومغناطيسي. SF هو تأثير ميكانيكي كمومي يوفر رؤى حول الارتباطات متعددة الجسيمات وديناميات التشابك، مع تطبيقات محتملة في الإلكترونيات الضوئية والتقنيات الكمومية، مثل الذاكرات الكمومية فائقة السرعة ومعالجة المعلومات الكمومية القابلة للتوسع.
تسلط هذه القسم الضوء على الدور الناشئ للمواد الكيرالية في التلاعب بالديناميات الكمومية، لا سيما من خلال تأثير اختيار الدوران الناتج عن الكيرالية (CISS)، الذي له تداعيات على الإلكترونيات الدورانية ومعالجة المعلومات الكمومية. تشير توقعات نظرية لتماثل فوتوني لـ CISS مرتبط بالسوبرفلوريسنس الكيرالي إلى تقاطع جديد بين البصريات الكمومية المتماسكة والمواد الكيرالية. على الرغم من الملاحظات السابقة للسوبرفلوريسنس في مواد مختلفة، لم يتم تحقيقها في أنظمة صلبة كيرالية. تُبلغ هذه الدراسة عن أول ملاحظة للسوبرفلوريسنس الكيرالي في درجة حرارة الغرفة من حالات الحافة للهياكل الهجينة العضوية غير العضوية شبه ثنائية الأبعاد، مما يظهر درجة من الاستقطاب الدائري (DCP) بحوالي 14%. تكشف النتائج عن ارتباط قوي بين الكيرالية والتماسك الكمومي الكلي، مما يمهد الطريق للتقدم في تطبيقات البصريات الكمومية الدورانية.
مناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون ثلاثة أنواع من الهياكل شبه ثنائية الأبعاد من البيروفسكايت، المميزة بالصيغة \(L_2MAn-1PbnI_{3n+1}\)، للتحقيق في السوبرفلوريسنس (SF) في الحالة الصلبة. تم زراعة الهياكل بنجاح على ركيزة MAPbBr3، مع عرض هيكل شبكة متقاطع. أظهرت المواد SF متماسكة، كما يتضح من طيف الفوتولومينسنس (PL) المعتمد على شدة الضخ الذي انتقل من انبعاث عشوائي واسع إلى قمم ضيقة وحادة فوق عتبات محددة. وُجدت عتبات SF لتكون 70 ± 10 μJ cm\(^{-2}\) للـ SMBA اليساري، 95 ± 10 μJ cm\(^{-2}\) للـ RMBA اليميني، و140 ± 10 μJ cm\(^{-2}\) لعينة PEA غير الكيرالية، مما يشير إلى تعزيز كبير في خصائص الانبعاث بسبب ترتيب الكيرالية للرابطة.
كشفت الدراسة أيضًا أن SF أظهرت استقطابًا دائريًا قويًا، حيث وصلت درجات الاستقطاب الدائري (DCP) إلى 13.5% للـ SMBA و13.8% للـ RMBA، بينما لوحظ DCP ضئيل في عينة PEA غير الكيرالية. نسب المؤلفون SF الكيرالي الملحوظ إلى التفاعل بين التماسك الكمومي والكيرالية الهيكلية، بدلاً من الاستقطاب الداخلي من المنبعثات الفردية. بالإضافة إلى ذلك، عرضت ديناميات SF تذبذبات واتجاهية مميزة، مما يميزها عن الانبعاث العشوائي المعزز التقليدي. تشير النتائج إلى أن أوقات التماسك الطويلة لحالات الحافة في هذه الهياكل تسهل SF في درجة حرارة الغرفة، مع تطبيقات محتملة في الأجهزة الضوئية التي تستفيد من انبعاث الضوء الكيرالي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10637-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42236939
Publication Date: 2026-06-03
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Strong Light-Matter Interactions
Overview
This section presents a significant advancement in the field of superfluorescence (SF), specifically the first observation of chiral superfluorescence (chiral SF) from edge states in large-area vertically aligned chiral perovskite superlattices at room temperature. The study highlights the transition from unpolarized, incoherent spontaneous emission to a coherent chiral SF state, supported by theoretical quantum optics calculations. These calculations successfully reproduce the experimentally observed circular polarization of approximately 14%, as well as its sign reversal with changes in material handedness.
Additionally, the research demonstrates that both the intensity and degree of circular polarization of chiral SF can be modulated by applying a weak magnetic field. This modulation capability allows for precise control over quantum light emission in solid-state systems at room temperature. The findings underscore the interplay between chirality and many-body quantum coherence, opening new avenues for applications in chirality-controlled quantum optics.
Introduction
The introduction discusses the phenomena of superfluorescence (SF) and superradiance, both of which involve enhanced light emission from ensembles of quantum emitters due to cooperative interactions with light and matter. While often used interchangeably, superradiance pertains to correlated initial states, whereas SF arises from initially uncorrelated states that develop enhanced dipole moments through interactions with the electromagnetic vacuum. SF is a quantum mechanical effect that provides insights into many-body correlations and entanglement dynamics, with potential applications in optoelectronics and quantum technologies, such as ultrafast quantum memories and scalable quantum information processing.
The section highlights the emerging role of chiral materials in manipulating quantum dynamics, particularly through the chirality-induced spin selectivity (CISS) effect, which has implications for spintronics and quantum information processing. A theoretical prediction of a photonic analog of CISS linked to chiral SF suggests a novel intersection of coherent quantum optics and chiral materials. Despite previous observations of SF in various materials, its realization in chiral solid-state systems has not been achieved. This study reports the first observation of room temperature chiral SF from the edge states of vertically aligned quasi-2D hybrid organic-inorganic perovskite superlattices, demonstrating a degree of circular polarization (DCP) of approximately 14%. The findings reveal a strong correlation between chirality and macroscopic quantum coherence, paving the way for advancements in quantum spin-optical applications.
Discussion
In this study, the authors developed three types of quasi-2D perovskite superlattices, characterized by the formula \(L_2MAn-1PbnI_{3n+1}\), to investigate solid-state superfluorescence (SF). The superlattices, incorporating achiral and chiral ligands, were successfully grown on a MAPbBr3 substrate, exhibiting a crisscross network structure. The materials demonstrated coherent SF, evidenced by pump fluence-dependent photoluminescence (PL) spectra that transitioned from broad spontaneous emission to sharp, narrow-band peaks above specific thresholds. The SF thresholds were found to be 70 ± 10 μJ cm\(^{-2}\) for the left-handed SMBA, 95 ± 10 μJ cm\(^{-2}\) for the right-handed RMBA, and 140 ± 10 μJ cm\(^{-2}\) for the achiral PEA sample, indicating a significant enhancement in emission characteristics due to the chiral arrangement of the ligands.
The study further revealed that the SF exhibited strong circular polarization, with degrees of circular polarization (DCP) reaching up to 13.5% for SMBA and 13.8% for RMBA superlattices, while negligible DCP was observed in the achiral PEA sample. The authors attributed the observed chiral SF to the interplay of quantum coherence and structural chirality, rather than intrinsic polarization from individual emitters. Additionally, the SF dynamics displayed characteristic oscillations and directionality, distinguishing it from conventional amplified spontaneous emission. The findings suggest that the long coherence times of the edge states in these superlattices facilitate room-temperature SF, with potential applications in photonic devices leveraging chiral light emission.