麻省理工学院和其他地方的一组研究人员的新发现可能有助于为有效弥合物质与光之间差距的新型设备铺平道路。这些可能包括消除当今版本固有的低效率的计算机芯片，以及量子计算机的基本构建块——量子比特，它可以在室温下运行，而不是大多数此类设备所需的超冷条件。

这项新工作基于将一种叫做钙钛矿的材料的微小薄片夹在两个精确间隔的反射表面之间，在麻省理工学院应届毕业生 Madeleine Laitz PhD '22、博士后 Dane deQuilettes、麻省理工学院教授 Vladimir 的一篇论文中详细介绍了Nature Communications杂志Bulovic、Moungi Bawendi 和 Keith Nelson，以及其他七人。

通过制造这些钙钛矿三明治并用激光束刺激它们，研究人员能够直接控制系统内某些“准粒子”的动量。这些准粒子被称为激子-极化子对，是光和物质的混合物。能够控制此属性最终可以根据此现象向设备读取和写入数据。

“激子-极化激元的特别之处在于，”Laitz 说，它们“位于纯电子系统和光子系统之间的光谱上”。这些准粒子“具有两者的特性，因此你可以利用激子极化子来利用它们的最佳特性。”

例如，她解释说，纯电子晶体管在器件之间的每个接口处都有固有的电容效应损失，而“纯光子系统在工程上面临挑战，因为很难让光子相互作用，你必须依赖复杂的干涉方案。” 相比之下，这个团队使用的准粒子可以很容易地通过多个变量来控制。

准粒子是“光和中性电荷的结合状态，”Bulovic 说。“因此，你可以用光或电荷来扰乱这种组合状态，因此，如果你需要调节这种状态，你就有额外的杠杆可以利用。这些额外的杠杆现在可以让人们以更节能的方式操纵这种组合的物质状态。”

更重要的是，所涉及的材料很容易使用室温、基于溶液的加工方法制造，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，这项工作还处于非常早期的阶段，因为研究人员仍在研究新发现的影响；Laitz 说，实际应用可能还需要 5 到 10 年的时间。

近年来，钙钛矿作为新型轻质、柔性太阳能光伏板的材料备受关注，因此对其性能和制造方法进行了大量研究。该团队选择了一种特殊版本的钙钛矿，称为苯乙基碘化铅。

“卤化物钙钛矿能很好地收集光，并将光子转化为电子或激子，这取决于钙钛矿的维度和材料特性，”她说，这就是为什么研究人员选择这一大类材料的这种特殊版本进行研究。

然后，为了创建所谓的可以捕获光子的光学腔，研究人员在镜面之间放置了微小的材料薄片。这些超薄层中的两个，只有几十纳米厚，使用间隔层隔开精确的距离，因此镜子被这种钙钛矿材料吸收和发射的光波长的一半分开。

使用调谐到绿光波长的钙钛矿，然后发射的绿光在镜子之间来回反射。“它被材料重新吸收、重新发射、重新吸收、重新发射、重新吸收，如此之快，以至于你在光子和激子之间相互转换，从而产生两者的叠加，”Laitz 说。

这可能导致被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态，其中所有粒子都具有相同的能量状态并且表现得非常像一个大粒子。Laitz 说，这种凝聚物具有一种称为自旋的特性，这种特性可以通过光或电刺激来改变；由此产生的变化可以通过使用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。

已经产生了这样的冷凝物阵列，但到目前为止通常只在超低低温下产生。“钙钛矿提供了在高温下实现这种现象的机会，”但钙钛矿很难形成冷凝物。Laitz 说，这项新研究显示了导致凝结过程的基本特征。在他们的论文中，“我们从材料的角度和设备架构的角度提出了几种策略来实现这一点。” 她说，这可能是迈向最终室温量子比特的关键一步。

deQuilettes 说，虽然此类设备可能需要数年时间才能开发出来，但新发现的更近期应用可能是生产新型发光设备，包括可以提供定向输出的可控光源的设备电子控制。

研究团队还包括麻省理工学院的 Alexander Kaplan、Jude Deschamps、Ulugbek Barotov、Andrew Proppe 和 Anna Asherov，马德里康普顿斯大学的 Ines Garcia-Benito 和帕维亚大学的 Giulia Grancini。这项工作得到了塔塔-麻省理工学院 GridEdge 太阳能研究计划、国家科学基金会和欧洲研究委员会的支持。