耦合钙钛矿量子点的超荧光闪烁

《Newton》：Superfluorescent scintillation from coupled perovskite quantum dots

　　

闪烁（scintillation）是将高能辐射转换为可探测可见光的过程，支撑着从医学成像到粒子物理学的各类技术。然而，传统闪烁体受限于其单个发射中心的振荡强度（oscillator strength）。在此，研究人员提出并演示了量子光学闪烁体（quantum optical scintillator），展示了X射线激发下的集体闪烁现象，其中发射体之间的量子关联使其发射速率超越固有的单振荡器速率。该效应表现为红移光谱峰和增强的发射速率，在80 K下平均寿命为230 ps（皮秒），比室温自发发射快14倍。与紫外驱动的超荧光（superfluorescence, SF）不同，每个X射线光子产生一个光电子，激发多个相邻的耦合量子点，从而产生更快的速率、更大的光谱位移和更宽的光谱。研究人员使用Hanbury-Brown-Twiss（HBT）g⁽²⁾(τ)装置表征了温度依赖的时间响应。多体量子光学理论同时重现了紫外驱动和X射线驱动的机制。这些量子增强超越了发射速率极限，可显著提高飞行时间探测器（time-of-flight detector）的性能。

闪烁体（scintillator）是将X射线和伽马射线等高能辐射转换为可探测可见光的材料，在正电子发射断层成像（positron emission tomography, PET）、X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography, CT）、机场安检、无损检测、核工业、油井测井以及高能物理实验（如大型强子对撞机中希格斯玻色子的发现）等领域均有广泛应用。对于许多应用，尤其是飞行时间（time-of-flight, TOF）PET，闪烁光的发射速度具有决定性意义——更短的发光寿命意味着更清晰的图像和更早的疾病检出。然而，所有传统闪烁体都面临同一根本限制：其发射速率由单个发射中心的振荡强度（oscillator strength）决定，无法超越。为突破这一上限，研究人员从量子光学中引入“超荧光”（superfluorescence, SF）概念：当大量全同发射体紧密堆积时，它们可自发同步并产生集体辐射。该效应于1954年由Dicke首次预言，但此前的超荧光仅能由可见光或紫外光触发。在这项发表于《Newton》的研究中，研究人员首次在X射线激发下实现了超荧光闪烁。研究发现，CsPbBr₃钙钛矿量子点（perovskite quantum dots, PQDs）自组装超晶格（superlattice）在X射线激发下表现出集体发射：每个吸收的X射线光子产生一个高能光电子，后者在材料中运动时同时激发多个相邻量子点，使耦合量子点协同辐射，产生红移且展宽的光谱峰，并在80 K下实现平均230 ps的闪烁寿命——比室温下普通自发发射快约14倍，且光产额（