近日，我所化学动力学研究室光电材料动力学研究组（1121组）吴凯丰研究员团队受邀发表了关于纳米晶协同发射研究进展的评述文章，系统讨论了钙钛矿纳米晶系综中超荧光与放大自发辐射两类协同发射行为之间的内在联系及其转变机制。
协同发射是量子发射体集体光学行为研究中的重要前沿方向，在超快、高亮度光源，以及量子光子学等领域具有潜在应用价值。其中，超荧光（SF）表现为激发态偶极自发实现相位同步，并以宏观相干极化的形式实现高强度、高速率的集体辐射；而放大自发辐射（ASE）源于自发辐射光子在增益介质中的连续放大，其形成并不要求各发射体之间保持相位一致。尽管二者机制不同，但都体现了区别于独立量子发射体的整体辐射行为。
由于超荧光对发射体之间的相位相干性要求极高，此前仅在少数气相和固相体系中得到证实。在可溶液加工、可规模化制备的发光体系中开展相关研究颇具挑战。近年来被广泛研究的铅卤钙钛矿纳米晶兼具发光快、谱线展宽较小和激子相干时间长等特点。研究人员曾在高度有序的钙钛矿纳米晶超晶格中观察到超荧光现象，表明相邻纳米晶可通过共同真空场耦合建立宏观相干；同时，钙钛矿纳米晶中的放大自发辐射也被广泛报道。然而，如何在同一种材料平台上建立这两种协同发射行为之间的联系、阐明相互转变机制，此前还尚不明确。
近期，研究人员在巨型溴化铯铅（CsPbBr3）纳米晶系综薄膜体系中实现了对不同协同发射行为的系统调控。这类处于弱限域区域的巨型纳米晶可容纳多个激子，具有较窄的发射谱线。在低密度薄膜中，通过调节温度和激发通量，体系在中低温下表现出典型的超荧光特征，在高温下则因快速退相干转变为普通光致发光；在高密度薄膜中，更高的发射体密度有利于形成光学增益，体系随着温度升高进一步跨越到放大自发辐射区间。基于此，研究人员建立了由温度、激发通量和发射体密度共同决定的多维相图，将普通光致发光、超荧光和放大自发辐射三种发射行为统一起来。
该评述文章系统总结了上述研究进展，指出通过调控温度、激发通量和发射体密度，可在同一钙钛矿纳米晶体系中实现超荧光与放大自发辐射之间的可控转变。文章最后对该方向的未来发展进行了展望：大尺寸钙钛矿纳米晶中还存在着起源于激子空间相干性的单光子超辐射行为，这意味着未来有望将单光子超辐射、超荧光和放大自发辐射等不同集体发射行为进一步统一，加深对集体发光行为的系统理解。同时，推动协同发射进一步迈向少发射体极限也是值得关注的方向。由于钙钛矿纳米晶中的激子相干时间可与辐射寿命相当，未来有望通过将少数几个钙钛矿纳米晶耦合实现超荧光，从而在单发射体量子光学与介观尺度协同发射之间建立联系。
相关评述文章以“Connecting the dots for cooperative emission”为题，于近日发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。该工作的第一作者为1121组博士后刘媛。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”、新基石科学基金等项目的资助。（文/图 刘媛）
