随着量子信息学的快速的提升，如何有效控制和保护宏观量子态成为关键课题。当前，此类研究通常需在低温度的环境下操作，目的是降低热波动对量子态相干性的不利影响。相干发射，即由密集发射体集合产生的集体光子发射，在量子光学和纳米光子学领域极具应用潜力。超荧光（SF）作为一种宏观量子态，能从密集排列的激发发射器材料中产生集体光子发射，因其蕴含的多体量子现象，在量子光学研究中非常关注。然而，由于相干性易受热噪声干扰，将 SF 观测拓展到低温条件之外或高磁场环境下仍面临诸多挑战。尽管困难重重，近期在二维钙钛矿材料和上转换纳米晶体组装研究中，已成功观测到室温下的 SF 现象，这为通过设计量子点（QD）超晶格来操控相干性带来了新的思路。QD 超晶格的构建单元可看作是天然的量子减震器，即一类名为极化子的准粒子，它能使激发电子免受晶格振动干扰，仅与自身振动相互作用。

　　基于上述背景，受自然界生物矿化形成和地质定向附着机制的启发，华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）刘霄副研究员团队创新性地提出了金字塔形QD Mesocrystal超晶格概念。该结构通过精准调控定向附着程度，有效平衡耦合与非耦合发射，进而实现对相干发射特性的调节。团队成功构建出高度有序的Mesocrystal量子点超晶格，并与华南师范大学光电科学与工程学院李光灿副研究员合作，在常温环境下使其依然能维持量子相干性。这一现象源于类似声子振动隔离的机制，电子激发态通过极化子的形成得以稳定，最终实现同步光发射。研究团队负责人刘霄表示：“量子点超晶格的结构有序性是实现长程相干的关键。我们借鉴自然界生物矿化Oriented attachment的机制，设计出原子级对齐的Mesocrystal结构，为室温量子同步打开了大门。”

　　本研究成果具备极其重大意义，不仅成功克服了热噪声干扰这一难题，还为相干光发射的调节提供了切实可行的方法，为宏观量子态的控制提供了重要的理论支撑。此外，该研究在量子信息技术等前沿领域展现出广阔的应用前景，有望推动有关技术的进一步发展。

　　通过溶剂蒸发法制造了横向尺寸从约1到20毫米的CsPbBr3基量子点超晶格，表现为分散在10–20毫米间距的立方体聚集体岛。先前的理论框架预测，由紧密定向排列、尺寸减小的组分组成的量子点超晶格表现出增强的粒子间耦合能，有利于增强的SF衰变速率，并具有更高的高温SF实现潜力。为了最大化潜在的SF效应，微米级立方体形状的超晶格被精细地在25–80°C的温度范围内进行退火处理，以促进定向附着。观察到最初立方体形状的量子点超晶格在经过热退火处理后发生形态变化并转变为金字塔形岛屿。为了比较结构对光致发光性质的影响，分别通过旋涂、界面自组装和自组装后退火方法制备了三种不一样的量子点固体，分别包含随机堆积结构、立方体紧密堆积超晶格和金字塔形Mesocrystal超晶格。

　　图2. Mesocrystal量子点超晶格的光致发光特性与动力学。(a) Mesocrystal量子点超晶格的共聚焦光致发光图像。(b) 单个Mesocrystal量子点超晶格的光致发光谱（蓝线）显示出两个带——一个高能带归因于未耦合量子点发射，一个低能带来自耦合量子点发射。(c) 相干发射的光谱积分强度与通量关系。(d) 2.18 eV特征在300 K下的时间分辨光致发光动力学曲线。

　　Mesocrystal量子点超晶格在室温下展现出优异的光学性能，其独特的相干发射特性为室温量子相干性研究开辟了新路径。研究之后发现，该材料在光学激发下呈现两种特征发射光谱：中心区域为 2.18 eV 的黄色辐射衰减，形态边界处则是 2.36 eV 的绿色发光。有必要注意一下的是，绿色发射与无序 CsPbBr3 QD 薄膜的发光特性 (2.40 eV) 相近，揭示了单个量子点无相互作用时的本征发光特性，提供了可靠参考。

　　深入研究表明，2.18 eV 发射峰呈显著的洛伦兹线形，半峰宽 (FWHM) 仅 27 meV，约为常规发射峰 (98 meV) 的三分之一，有力证明了材料在高温下仍具备优异的相干性。室温下，当激发强度超过 500 mJ/cm2 阈值时，系统从非相干荧光转变为协同相干发射，发射强度与激发通量呈线性关系，这是SF现象的典型特征。而在低温度的环境中 (21 K 和 70 K)，仅需 2 mJ/cm2 的激发密度就能触发相干发射，凸显了材料性能的优越性。

　　通过时间分辨光致发光衰减测量，进一步揭示了 SF 的独特动力学特征。在 3400 mJ/cm2 的激发密度下，Mesocrystal量子点超晶格的衰减特性明显加快：退火样品衰减时间仅 122 ps，未处理样品为 1100 ps。辐射寿命的显著变化，尤其是初始延迟后出现的特征峰值脉冲序列，为 SF 发射提供了有力的实验证据，使其与传统的放大自发辐射(ASE) 现象得以区分。

　　这一系列发现证实，量子点以Mesocrystal结构有序排列时，通过相位匹配的偶极相互作用可实现高效相干发射。长程结构有序支撑的量子耦合机制，使激发在多个量子点间去局域化，明显地增强辐射衰变速率。材料的定向附着程度决定了耦合与非耦合发射的比例，为调控相干发射特性（如强度、线宽和衰减动力学）提供了有效方法。

　　图3. 绿光发光的分裂现象。（a）经过退火处理后，主要的绿光发射在2.47 eV、2.40 eV和2.37 eV的能量水平上成功解析了发光分裂。（b）从每个峰值拟合模型中提取的PL峰强度，显示在阈值以上（500 mJ/cm²）的激发通量下有轻微的超线性增加（黑色虚线 mJ/cm²激发通量下的四个发光带的时间分辨PL衰减。

　　有趣的是，60°C退火10分钟处理后，Mesocrystal量子点超晶格展现出定向附生生长，光致发光中出现激子分裂现象。室温下，主要绿色发射分解为 2.47 eV、2.40 eV 和 2.37 eV 三个精细结构峰，这种在强限制系统中常见的现象，或归因于电子-空穴交换相互作用。空间分辨各区域的分裂发射，有望为量子点超晶格或混合有机-无机钙钛矿中的激子去局域化和相干耦合效应带来新见解。

　　随着激发通量增加，绿色光致发光峰分裂为子峰的现象愈发显著。2.47 eV、2.40 eV 和 2.37 eV 处的峰半峰宽显著减小 (FWHM：22-26 meV)，且衰减时间逐渐减至 200 ps，表明可能从相干发射向超荧光行为转变。尽管量子点超晶格或无序集合体在低温下已观察到激子分裂，但我们也可以在室温下，以高分辨率和清晰度在这类Mesocrystal组装体的光学发射谱中观测到激子亚结构是一项重要进展。

　　图4. Mesocrystal量子点超晶格的光学和光致发光成像。(a) 在明场条件下使用显微镜获得的Mesocrystal量子点超晶格的光学图像。(b) 在暗场条件下使用显微镜获得的Mesocrystal量子点超晶格的光学图像。(c) 和 (d) 绿色和黄色发射的荧光强度分布。

　　为了探究影响室温相干发射的微观结构因素，我们先用显微镜对Mesocrystal量子点超晶格的金字塔形貌展开研究。在50倍放大下，清晰观察到具有明确棱面的金字塔形结构。受布拉格反射和自身荧光影响，Mesocrystal量子点超晶格的暗场与明场成像呈现出中心和边缘的颜色差异，这表明结构内部厚度存在变化。具体而言，在两种成像模式下，Mesocrystal量子点超晶格中心均比边缘更暗。这种厚度梯度在不一样的尺寸的Mesocrystal量子点超晶格中都有出现，意味着其中心有几率存在相对较薄的“空心”区域。

　　共聚焦激光扫描光致发光成像进一步揭示了Mesocrystal量子点超晶格发光特性的空间异质性。中心区域主要呈现黄色相干发射光致发光和绿色光致发光，这源于密集排列、部分定向连接的 CsPbX3 QDs，它们是构成超晶格的纳米级“乐高”积木。而靠近边缘的外围区域仅呈现绿色光致发光，且荧光强度分布显示边缘区域的绿色发光更强。

　　同时，金字塔各面上光致发光对比度的3D结构映射也证实了上述观察结果，表明在含CsPbX3晶粒的低浓度中心区域与高度密集的外边界区域之间，激子复合动力学和量子点间相互作用存在一定的差异。这些激子动力学和相互作用的变化，可能是受不一样的区域内量子点堆积密度、耦合及定向连接差异的影响。整体看来，显微镜和荧光显微镜揭示了金字塔形Mesocrystal量子点超晶格内部空间上不同的光学特征，区分出纳米尺度“乐高”积木堆积排列的中心和边缘区域。这种空间异质性表明，Mesocrystal超晶格不一样的区域内量子点的耦合强度、堆积密度和定向连接存在差异。

　　图5. 量子点超晶格的结构表征。(a) 未经过退火处理的量子点超晶格的透射电镜图像。(b) 从中部区域获得的高分辨透射电镜图像。(c) 从中部区域获得的选区电子衍射图案。

　　透射电子显微镜揭示了退火处理时，量子点超晶格向原子相干中尺度晶体量子点超晶格的结构演变。扫描电子显微镜与扫描透射电子显微镜图像显示，初始自组装阶段，量子点形成单位晶胞约 9 nm 的简单立方堆积簇。高分辨率透射电子显微镜下，能清晰看到量子点超晶格 [100] 面的边界面和量子点 [100] 晶格融合。选区电子衍射表明，在190×190 nm选区的超晶格内部，量子点存在部分晶体学取向，(200) QD和 (300) QD 衍射角宽度约15–22°。此时量子点超晶格介观有序，但纳米尺度无序，晶界平面缺陷分隔有限晶体取向的结晶区域。

　　热退火引发定向附着，在整体表面能降低和量子点间界面应变最小化驱动下，量子点边界动态重组，消除平面缺陷和马赛克型边界，形成原子相干Mesocrystal量子点超晶格，长程取向有序性增强，晶体缺陷减少。退火后的金字塔状Mesocrystal量子点超晶格选区电子衍射图显示，纳米颗粒面呈高度结晶单畴取向，与初始立方体超晶格的有限长程有序不同。Mesocrystal量子点超晶格中 (200) QD 和 (300) QD 衍射峰角宽约3–8°。从中心区域获取的选区电子衍射图案，取向排列和结晶度更明显，边缘区域较弱，表明热退火促进量子点表面异质外延融合，优化Mesocrystal超晶格定向附着，中心区域尤为突出。选区电子衍射分析证实Mesocrystal量子点超晶格晶体有序性和取向排列存在空间异质性，中心区域晶体完整性和取向一致性高于边缘。

　　图6. Mesocrystal量子点超晶格的结构表征。 (a) Mesocrystal量子点超晶格的透射电镜图像。(b) 从中部区域获取的高分辨率透射电镜图像。(c) 从中部区域获取的选区电子衍射图案。

　　在CsPbBr3量子点中，据报道极化子结合能在34-47 meV之间。在室温（约300 K）下，平均热能kT（其中k是玻尔兹曼常数，T是温度）约为26 meV，略低于极化子热解离所需的能量。极化子实体与声子热振荡之间的相互作用主要是通过晶格应变成分而非电子偶极本身发生。因此，电子激发的光子相干性可以有明显效果地隔离那些在环境条件下会引发去相位的电子-声子散射矢量。重点是，极化子准粒子内的电子-晶格耦合动力学的极化抑制了热弛豫通道，包括声子散射和俄歇复合。因此，由Mesocrystal矩阵介导的量子声振动隔离（QAVI）机制实现了量子点中的大极化子形式，提供了电子激发的量子振动隔离，即使在环境条件下也能避免普通退相干，实现室温相干发射。为了评估假设的QAVI机制，该机制使环境和温度下的宏观相干激子发光成为可能，对热处理进行了严格的研究。Mesocrystal量子点超晶格在45-100℃的温度系列下经历了受控结晶过程，并通过周期性透射电子衍射对其结构演变进行了时间监测。

　　图7. 可调谐相干发射和Mesocrystal量子点超晶格的动力学。图 (a) 和 (b) 分别显示了在相同激发单位体积内的包含的能量3400 mJ/cm²下，Mesocrystal量子点超晶格的光致发光随退火时间延长和退火温度上升而变化的情况。(c) Mesocrystal超晶格在80°C退火处理2分钟后，在300 K下的瞬态光致发光动力学。(d) 在激发单位体积内的包含的能量为170 mJ/cm²时，获得的相干发射动力学条纹相机图像。

　　通过光致发光光谱定量追踪了相干发射向超辐射的转变，评估1 - 20 min退火时间内的峰值强度和时间相干性。交错实验发现，60 - 75℃是最佳温度窗口，在此窗口延长处理时间，可通过电子衍射的Rietveld验证长程晶体有序性得到一定的改善。这表明，强定向附着产生的高质量结构有序性，增强了室温超辐射所需的协同作用，且超过单个颗粒复合，相干发射模式优势显著。在1 - 10 min退火间隔内，2.18 eV超辐射峰变尖锐且增强；但超过75℃或10 min，结构质量和超辐射都会减弱，这种非单调依赖与最大化QAVI效应的理论模型相关。

　　为验证QAVI机制，我们得知退火时绿色发射峰分裂变化显著，分叉更尖锐精细。时间分辨光致发光显示，2.47 eV、2.40 eV 和 2.37 eV处的主导绿色发射峰呈多指数1/e衰减曲线，激发通量增加，衰减时间缩至约120 ps，或暗示存在三种额外相干发射过程，表明Mesocrystal量子点超晶格有多种发射机制。激发通量170 mJ/cm2时的条纹相机图像呈现SF的Burnham–Chiao振铃现象，意味着绿色发射峰光学跃迁从相干发射转为接近超荧光行为，符合向Dicke超辐射态转变特征，即退火增强量子点长程相干性，进而增强辐射耦合，与QAVI机制相符。

　　高度有序的Mesocrystal量子点超晶格能实现相干发射，传统超晶格则不能。传统量子点超晶格发射体仅短程耦合，不足以满足Dicke超辐射理论的长程耦合和时间尺度要求，热涨落易破坏量子相干性。中晶超晶格通过定向附着实现长程相干，满足次近邻耦合标准，抑制退相干，延长激子作用范围和时间尺度，使激子能在晶格位点相干离域，合作增强发射率，在室温下诱导相干发射。

　　本研究展示了热激活的量子点定向连接，形成独特金字塔形Mesocrystal结构，使环境条件下宏观尺度的相干发射周期性固体材料得以实现。制备的立方体量子点超晶格，因粒子自组装时定向连接不完全，长程有序性和取向有限。经退火处理，超晶格形态转变，形成高度有序Mesocrystal的金字塔形量子点超晶格。退火为近邻量子点的异质外延生长供能，优化连接，促使粒子孪生、融合，最终形成长程原子相干、晶界极少的单晶状Mesocrystal超晶格结构。通过定向连接，超晶格内量子点构建单元实现长程晶体学取向，且每个量子点的量子特性得以保留，即便它们互联成准单晶固体。此方法不破坏纳米尺度特性，而是温和引导量子点在结晶时精确定位。结合结构、振动和量子光学数据，可证实受控热驱动Mesocrystal促进了充分的声子解耦，室温下也能维持长程相干性，直接支持了周期性固体结构中宏观相干发射的产生。同步开展的结构、振动和量子光学研究表明，通过定向连接优化Mesocrystal超晶格的声子特性，对抑制热去相干至关重要，这是实现量子同步和激子集合相干相互作用的必要条件。后续探究不同制造参数下，这种超晶格的晶体学、带隙动力学和相干发射输出的变化，有望为室温下超荧光和多体量子现象的精细调控奠定基础。团队负责人刘霄强调：“下一步将探索电驱动相干发射，推动器件化应用，敬请期待。”