2026年6月9日——一个国际研究团队报告了在理解半导体材料中量子动力学方面的一项重大进展。他们直接观察了钙钛矿纳米晶体中激子和声子如何共同演化，揭示了光诱导电子激发与晶格振动之间完全相干的量子舞蹈。研究成果发表在《自然·通讯》上。

当光激发半导体内部的电子时，就会产生激子。电子吸收能量，留下一个带正电的“空穴”；两者结合在一起，作为一个单一的量子对象在晶体中移动。声子是另一种量子对象，它是晶格振动的量子。尽管本质上是不同的对象，但在钙钛矿材料中，它们紧密相连，并作为一个耦合的量子系统共同演化。

钙钛矿纳米晶体是只有几纳米大小的微型晶体，比头发丝细一千倍。每个晶体形成一个纳米尺度的“盒子”，同时束缚着激子和声子。这种局限作用使它们之间的相互作用特别强：纳米晶体内部的激子与周围晶格振动紧密耦合。当一个激子通过短激光脉冲产生时，它也会轻微扭曲周围的晶格，从而产生声子。然后，电子激发和晶格振动形成一个联合量子态，称为激子-极化子。

在大多数固体中，与晶格的相互作用会迅速破坏脆弱的量子态。许多原子的运动就像噪音一样，冲刷掉量子相干性。然而，研究人员在卤化铅钙钛矿纳米晶体中发现了一个显著的例外。在2开尔文的低温下，晶格振动保持良好有序，使得量子态能够相干地演化约10皮秒，对应多次振荡，即量子舞蹈的多次旋转。

利用持续约百飞秒的超短激光脉冲，来自多特蒙德工业大学的实验团队直接追踪了这一演化过程，并观察到显著的量子拍频。当系统同时处于不同量子态的相干叠加态时，就会出现这些拍频。由于每个态的能量略有不同，它们的量子波会相互干涉。这种干涉产生周期性的振荡，即量子拍频。在所研究的纳米晶体中，这些振荡揭示了激子和晶格振动如何在超快时间尺度上交换能量并共同演化。

这一结果之所以特别引人注目，在于量子拍频异常强的振幅及其长相干性。这种状态在其他固体系统中一直无法通过实验获得。通过与多特蒙德工业大学凝聚态理论组和美国杰克逊州立大学理论团队的密切合作，研究人员证明了该效应可以通过简单地改变纳米晶体尺寸来调谐：在较小的纳米晶体中，激子与晶格振动的耦合更强，而在较大的纳米晶体中，振荡保持的时间更长。这为设计和控制该系统的量子动力学开辟了一条实用途径。

该发现将钙钛矿纳米晶体确定为未来量子器件的一个有前景的平台。控制相干激子-声子动力学的能力，可能为半导体量子信息处理、量子光源以及单声子（即晶格振动的单个能量包）的产生带来新方法。更广泛地说，这项工作表明，通常被视为退相干源的晶格振动，反而可以成为一种有用的量子资源。