手性鈣鈦礦超晶格實現室溫可調控的圓偏振超熒光

超熒光是一種量子光學現象，指量子發射器整體通過協同光-物質相互作用產生增強的相干光輻射。與傳統的超輻射不同，超熒光源自初始非關聯態，通過與電磁真空的相互作用自發形成增強的偶極矩，為研究光子體系中的多體關聯和糾纏動力學提供了獨特視角。盡管超熒光已在多種固態材料中被觀察到，包括強磁場下低溫冷卻的InGaAs量子阱、低溫下的鈣鈦礦量子點以及高溫下的準二維雜化鈣鈦礦薄膜，但手性材料中自發產生圓偏振超熒光（即手性超熒光）一直未能實現。此外，開發可擴展的制備技術以獲得均勻、可重復的固態超熒光材料，仍是該領域廣泛應用的重要障礙。

鑒于此，來自香港理工大學的李明杰副教授和哈佛大學的Susanne F. Yelin教授在室溫下首次實現了手性鈣鈦礦超晶格中的手性超熒光。研究團隊從大面積（>100μm× 100μm）垂直排列的手性鈣鈦礦超晶格邊緣態中觀測到了這一現象，其圓偏振度最高可達約14%，且隨材料手性相反（SMBA與RMBA）而發生符號反轉。理論量子光學計算成功描述了從初始非偏振非相干自發輻射向相干手性超熒光態的轉變過程，定量再現了實驗觀測到的圓偏振產生及其反轉特征。此外，弱磁場（<0.5 T）可有效調控手性超熒光的強度與圓偏振度，實現室溫下對固態量子光發射的精確控制。這些發現揭示了手性與多體量子相干性之間的內在關聯，為手性控制的量子光學應用開辟了新方向。相關論文以題為“Chiral superfluorescence from perovskite superlattices at room temperature”發表在最新一期《nature》上。

手性鈣鈦礦超晶格及其光致發光光譜

研究團隊開發了三種類型的準二維（n > 1）鈣鈦礦超晶格，化學式為LnMAn-1PbnI3n-1，其中n為每層量子阱中無機八面體層數，量子阱間隔層L分別為非手性配體苯乙胺（PEA）、PEA與左手性配體S(+)-α-甲基芐胺（SMBA）的混合物、或PEA與右手性配體R(+)-α-甲基芐胺（RMBA）的混合物。這些超晶格垂直生長在MAPbBr3單晶基底上，形成大面積（>100 μm × 100 μm）的網狀結構。如圖1b和1c所示，超晶格單元的寬度約為200-300 nm，長度約為0.5-5 μm，高度約為1.5 μm。掃描透射電子顯微鏡圖像（圖1d）顯示量子阱中以n=3相為主，伴有少量n=2組分。

在550 nm線偏振飛秒激光脈沖（約50 fs）激發下，當泵浦通量較低時，超晶格在約690 nm處呈現寬譜自發輻射峰。超過閾值泵浦通量后，光致發光光譜變得尖銳且窄帶，峰值強度呈超線性增長，這是超熒光的關鍵特征。如圖1f所示，左手性SMBA樣品的超熒光閾值約為70 ± 10 μJ cm?2（峰值波長705 nm），右手性RMBA樣品約為95 ± 10 μJ cm?2（710 nm），非手性PEA樣品約為140 ± 10 μJ cm?2 (690 nm）。圖1f插圖中的邁克耳孫干涉儀干涉圖顯示，閾值以上可在長達1 mm的距離上清晰觀察到干涉條紋，表明建立了長程空間相干性。

圖 1 | 手性鈣鈦礦超晶格的結構與光譜

超熒光特征與動力學

時間分辨測量揭示了超熒光的特征性動力學行為。圖2a的條紋相機圖像顯示了SMBA超晶格在閾值以上激發時的Burnham-Chiao振蕩，這種振蕩源于初始超熒光脈沖后激發介質內光子的相干再吸收和再發射，是超熒光態中發射體之間相干耦合的關鍵特征。

瞬態超熒光峰值強度遵循理論預測的二次方標度關系ISF0 ∝ N2，其中N為初始光激發偶極子數目。對于SMBA超晶格，自發輻射峰值強度標度為ISF0 ∝ P1.55±0.06，而超熒光強度標度為ISF0 ∝ P1.16±0.07，由此導出ISF0 ∝ N2.04±0.09的二次關系（圖2c）。

超熒光的另一個特征是延遲時間τD，即初始非相干自發輻射 onset 與相干超熒光峰值之間的時間間隔。如圖2d所示，瞬態吸收光譜在超熒光波長處探測到：閾值以下呈現快速布居建立（約1 ps）后緩慢衰減；閾值以上則出現特征性延遲期后跟超熒光爆發導致的快速布居衰減。從瞬態吸收和瞬態光致發光提取的τD值均遵循理論預測的標度關系τD = (1/Γ)ln(N)/(N+1)（圖2c右圖），其中Γ = 1/1500 ps?1為自發輻射速率。

圖 2 | 超輻射特征與動力學

圓偏振手性超熒光

在確認了約700 nm處窄帶發射的超熒光本質后，研究團隊進一步探究了手性對超熒光脈沖偏振態的影響。圓二色光譜證實了手性配體成功轉移至鈣鈦礦超晶格。值得注意的是，使用線偏振泵浦激光避免了通過圓偏振激發直接注入偏振態，從而能夠觀察協同超熒光自發產生的圓偏振。

如圖3b和3c所示，室溫下手性鈣鈦礦超晶格產生了強烈的圓偏振超熒光。圓偏振度定義為DCP0 = (ILCP0 - IRCP0)/(ILCP0}+ IRCP0) × 100%。在超熒光區域，SMBA超晶格的DCP0最高達13.5%，RMBA超晶格達13.8%（圖3d數據點）。左右圓偏振發射的強度差在手性RMBA和SMBA構型之間符號相反，與理論預測一致。作為對比，閾值以下自發輻射的圓偏振度在室溫下可忽略不計（約0.2%），非手性PEA超晶格中未觀察到圓偏振超熒光。

理論模型考慮了垂直排列手性超晶格的螺旋軸對稱性。沿螺旋軸位置zi的二能級發射體偶極算符為pj = φj(σjeg+ σjge)，躍遷偶極矩沿螺旋軸扭轉，可寫為φj = φj(cos(pzj)?x + sin(pzj)?y)。理論計算得到的DCP0曲線（圖3d實線）與實驗數據高度吻合，捕捉到了低泵浦通量下圓偏振的超線性放大和高泵浦通量下的飽和行為。

圖 3 | 圓偏振手性超熒光

磁場可調諧的手性超熒光

弱外磁場（B < 0.5 T）可用于增強和調控手性超熒光響應。如圖4a所示，磁場方向垂直于超熒光探測方向。當泵浦功率略低于超熒光閾值時，SMBA和RMBA鈣鈦礦的超熒光可通過磁場“開關”——從B = 0 T時的非偏振自發輻射轉變為B = 0.4 T時的圓偏振超熒光（圖4b）。

圖4c展示了手性超熒光的磁場依賴性。SMBA超晶格在閾值以上激發時，左手圓偏振超熒光強度隨磁場的變化ΔISF(B) = ISF(B) - ISF(0)呈二次方增長，圓偏振度也隨磁場強度二次增加，SMBA超晶格最高達16.5%。相比之下，非手性PEA超晶格的非偏振超熒光在0-0.5 T范圍內無此磁場依賴行為。磁場可能通過隔離圓偏振集體態能級而作為手性超熒光的選擇性放大器，減少向其他態的躍遷，從而降低有效超熒光閾值并增強超熒光強度和圓偏振度。

圖 4 | 磁場可調手性超熒光

總結與展望

本研究首次在室溫下實現了手性鈣鈦礦超晶格中的手性超熒光，揭示了手性與宏觀量子相干性之間的緊密聯系。通過理論建模與實驗相結合，研究團隊證明了圓偏振的超線性放大來源于結構手性與量子相干性的協同作用，而非單個發射體的本征圓偏振。弱磁場對超熒光強度和圓偏振度的有效調控，進一步展示了該體系的高度穩定性和外部可控性。這些發現為手性控制的量子自旋光學應用開辟了新方向，有望推動超快量子存儲器、高速光互連和可擴展量子信息處理架構等量子技術的發展。