拟议的基于钙钛矿的器件结合了电子学和光子学的各个方面

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，以及量子比特，量子计算机的基本构建块，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称为钙钛矿的材料的小片夹在两个精确间隔的反射表面之间，在《自然通讯》杂志上详细介绍，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。

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，是光和物质的混合体。能够控制此属性最终可以基于这种现象将数据读取和写入设备。

“激子-极化子特别迷人的地方，”莱茨说，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化子来利用每个粒子的最佳特性。

例如，她解释说，纯电子晶体管在设备之间的每个界面上都有固有的电容效应损耗，而“纯光子系统在工程中存在挑战，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，该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，如果你需要调制这种状态，你可以利用额外的杠杆。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。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;实际应用可能需要5到10年的时间，Laitz说。

近年来，钙钛矿作为新型轻质柔性太阳能光伏电池板的材料备受关注，因此对其性质和制造方法进行了大量研究。该团队决定使用一种特定版本的钙钛矿，称为苯乙基铵碘化铅。

“卤化物钙钛矿可以很好地收集光，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种特殊版本的这种大型材料进行研究。

然后，为了创建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。其中两个只有几十纳米厚的超薄层使用间隔层间隔精确距离，因此镜子之间的距离是这种钙钛矿材料吸收和发射的光波长的一半。

使用调谐到绿光波长的钙钛矿，发射的绿光然后在镜子之间来回反弹。“它被材料重新吸收，重新发射，重新吸收，重新发射，一遍又一遍地重新吸收，如此之快，以至于你在光子和激子之间相互转换，这样你就产生了两者的叠加，”莱茨说。

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，并且表现得很像一个大粒子。莱茨说，这种冷凝物具有一种称为自旋的特性，这可以通过光或电刺激来改变;通过使用光谱成像系统观察材料的光致发光，可以测量由此产生的变化。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。

已经生产了这种冷凝物阵列，但到目前为止通常仅在超低温下生产。“钙钛矿提供了在高温下实现这种现象的机会”，但钙钛矿中很难形成冷凝物。这项新的研究显示了导致冷凝的过程的基本特征，Laitz说。在他们的论文中，“我们从材料角度和设备架构角度提出了几种策略来实现这一点。这可能是迈向最终室温量子比特的关键一步，她说。

虽然这种设备可能需要几年时间才能开发出来，但新发现的近期应用可能是生产新型发光设备，deQuilettes说，包括可以提供可操纵光源的定向输出，可以电子控制。