通过将一些过氧化物夹在两面镜子之间并用激光束刺激它们，研究人员能够直接控制被称为激子-极子对的准粒子的自旋状态，它们是光和物质的混合体。资料来源：麻省理工学院

麻省理工学院和其他地方的一个研究小组的新发现可能有助于为有效弥合物质和光之间差距的新型设备铺平道路。这些设备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件--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。

这项新工作的基础是在两个精确间隔的反射表面之间夹住一种叫做过氧化物的材料的微小薄片，在《自然通讯》杂志上，麻省理工学院应届毕业生Madeleine Laitz博士'22、博士后Dane deQuilettes、麻省理工学院教授Vladimir Bulovic、Moungi Bawendi和Keith Nelson以及其他七人在一篇论文中详细说明了这一点。

通过创建这些过氧化物夹层并用激光束刺激它们，研究人员能够直接控制该系统内某些 "准粒子 "的动量。这些准粒子被称为激子-极子对，是光和物质的混合体。能够控制这一特性，最终可以使基于这一现象的设备的数据读写成为可能。

"莱茨说："激子-极子特别令人着迷的地方是，它们位于 "纯电子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-极子来利用两者的最佳特性"。

她解释说，例如，纯粹的电子晶体管，在设备之间的每个界面上都有电容效应的固有损失，而 "纯粹的光子系统在工程上有挑战，因为很难让光子相互作用，你必须依靠复杂的干涉测量方案。" 相比之下，这个团队使用的准粒子可以通过多个变量轻松控制。

准粒子是 "光和中性电荷的组合状态，"Bulovic说。"因此，你可以用光或电荷来扰乱这种组合状态，因此，如果你需要调控这种状态，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一种更节能的方式操纵这种物质的组合状态。"

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。莱茨说，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效应；实际应用可能需要5到10年时间。

近年来，过氧化物作为新型轻质、柔性太阳能光伏板的材料引起了广泛关注，因此对其特性和制造方法进行了大量的研究。该团队确定了一种特殊版本的过氧化物，称为苯乙胺碘化铅。

她说："卤化物过氧化物能很好地收集光线，并将光子转化为电子或激子，这取决于过氧化物的尺寸和材料特性，"她说，这就是为什么研究人员在这一大类材料中选择这一特定版本进行研究。

然后，为了创造所谓的能够捕获光子的光腔，研究人员将这种材料的微小薄片放在镜像表面之间。这些超薄层中的两层，只有几十纳米厚，用间隔层隔开一个精确的距离，这样镜子就被这种过氧化物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过氧化物，发射的绿光然后在镜子之间来回反弹。"莱茨说："它被材料重新吸收，再发射，再吸收，再发射，再吸收，如此迅速，你在光子和激子之间进行相互转换，这样你就产生了两者的叠加。

这可能导致被称为玻色-爱因斯坦凝聚体的物质状态，其中所有的粒子都具有相同的能量状态，其行为很像一个大粒子。Laitz说，这种凝结物带有一种被称为自旋的特性，它可以被光或电刺激所改变；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。与纯粹的光子系统不同的是，这些材料与光和电子都有强烈的相互作用。

这种凝结物的阵列已经被生产出来，但到目前为止通常只在超低的低温下进行。"过氧化物提供了在高温下实现这种现象的机会，"但在过氧化物中很难形成凝结物。Laitz说，这项新的研究显示了导致冷凝的过程的基本特征。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个策略来实现这一点"。她说，这可能是朝着最终的室温量子比特迈出的关键一步。

deQuilettes说，虽然这样的设备可能需要几年的时间来开发，但新发现的一个更近期的应用可能是生产新型的发光设备，包括那些可以提供一个具有定向输出的可引导的光源，可以通过电子方式控制。

参考资料：Madeleine Laitz et al, Uncovering temperature-dependent exciton-polariton relaxation mechanisms in hybrid organic-inorganic perovskites, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37772-7

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