室温手性钙钛矿超晶格实现超荧光：SMBA阈值仅70 μJ/cm²，DCP达13.5%

1 背景与问题

手性超荧光（Chiral Superfluorescence, SF）是一种宏观量子相干现象，指量子发射体集合通过协作相互作用发射出强烈的相干光。尽管超荧光已在多种固体材料中被观测到，但在手性材料中实现圆偏振超荧光——即光的圆偏振态由材料的手性决定——一直是该领域的重大挑战。

实现这一目标面临多重困难：

室温下的相干性维持：热涨落容易破坏量子相干态，导致超荧光信号难以在室温下观测。

与受激辐射的区分：超荧光（SF）与放大自发辐射（ASE）或激光在光谱上相似，必须通过高精度的瞬态光谱技术来区分其独特的动力学特征（如延迟时间和Burnham-Chiao振铃效应）。

圆偏振的精确测量：需要高灵敏度的光谱系统来捕捉微弱的圆偏振度（DCP）变化。

为了验证手性超荧光的存在，研究团队必须依赖高精度的稳态光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）技术，以捕捉从非相干自发辐射到相干超荧光的动力学转变过程。

2 核心方案

本研究报道了在室温下，大面积（）、垂直排列的手性钙钛矿超晶格中，源自边缘态的手性超荧光观测。研究团队通过手性配体将手性传递给钙钛矿超晶格，构建了具有螺旋对称性的晶体结构。

图1.可旋光钙钛矿超晶格的结构与光谱。(a)垂直生长在MAPbBr3基底上的准二维钙钛矿超晶格示意图。(b、c)扫描电子显微镜的俯视图（b）和横截面图像（c）。(d)SMBA（左旋）可旋光钙钛矿超晶格的自上而下及横截面STEM图像。图d右侧标出了每个量子阱中八面体层的数量n=3，厚度为18 Å。(e)由初始非相干偶极集合自发形成巨大圆偏振偶极子并产生手性表面等离子体（SF）的示意图，小箭头表示单个偶极子相位矢量。(f)在室温下，SMBA钙钛矿超晶格在550 nm线偏振泵浦激发下的功率依赖性PL光谱。图inset为使用米歇尔逊干涉仪在SF阈值上方通过相机采集的实空间干涉图。比例尺：2 µm（b,c）；10 nm（d，左上和右下）；5 nm（d，右）；1 mm（f，inset）。

论文的核心验证方案涉及以下关键测试技术：

功率依赖的稳态PL测试：用于确定超荧光的激发阈值。通过改变激发光功率，观测光谱从宽峰自发辐射到窄带超荧光的转变。

时间分辨PL（TRPL）测试：利用条纹相机捕捉超荧光的动力学特征。研究团队观测到了特征性的“Burnham-Chiao振铃”现象，这是超荧光相干耦合的确凿证据。

瞬态吸收光谱（TA）：用于验证载流子动力学和延迟时间，进一步确认超荧光机制。

磁光光谱测试：施加弱外部磁场（< 0.5 T），研究其对超荧光强度和圆偏振度的调制作用。

图2.超荧光特征与动力学。(a)SMBA钙钛矿叠层在550 nm激发下、泵浦强度超过超荧光阈值（198 µJ cm⁻²）时的条纹相机图像。色标表示任意单位的发射强度。(b)泵浦-光子通量依赖的时间分辨荧光光谱。蓝色线条用于显示超荧光动力学，拟合为多个独立超荧光脉冲之和，以考虑振荡效应（补充注释1.2）。灰色线条为低于超荧光阈值时自发发射的单指数衰减拟合。(c)左侧为瞬态荧光峰强度（IPL₀）随泵浦光子通量的变化关系。实线表示自发发射（SE）和超荧光的单幂律拟合参数。缩放参数的误差代表拟合不确定度。右侧为从时间分辨荧光光谱和TA光谱中提取的延迟时间τD随泵浦光子通量的变化曲线。实线拟合公式为τD = (1/Γ)ln(N)/(N+1)，其中Γ = 1/1,500 ps⁻¹，N = bP₁.₅₅₅，b为拟合参数。(d)SMBA钙钛矿叠层705 nm超荧光峰位置处的归一化瞬态吸收动力学。

通过这些手段，研究证实了手性超荧光源于螺旋排列偶极子之间的自发相位相干，而非单个发射体的内在圆偏振特性。

3 实验结果与分析

实验数据显示，手性钙钛矿超晶格在室温下表现出显著的超荧光特征，关键性能指标如下表所示：

图3.圆偏振手性超荧光。(a)手性钙钛矿超晶格中边缘态产生手性超荧光的示意图（上），z方向集体旋转的偶极子（下）。(b,c)时间积分（b）和时间分辨（c）的PL光谱，显示在550 nm线偏振激发下、泵浦剂量为300 µJ cm⁻²时，来自手性(S/R)MBA钙钛矿超晶格的左旋和右旋圆偏振超荧光。(d)瞬态PL峰强度下的圆偏振度（DCP₀）随泵浦剂量的变化关系。实线为理论计算结果。误差条表示TRPL峰强度测定所引起的传播不确定性。

4 关键数据分析

超荧光阈值：左手性SMBA样品具有最低的阈值（），表明其具有较高的辐射效率。

圆偏振度（DCP）：在超荧光区域，SMBA和RMBA样品分别实现了高达13.5%和13.8%的圆偏振度，而在阈值以下的自发辐射区域，DCP可忽略不计（约0.2%）。这证明了协作光-物质相互作用对手性响应的放大作用。

动力学特征：时间分辨PL测量显示，超荧光强度与激发偶极子数量N呈二次方关系（），符合超荧光的理论预测。

磁场调控：施加弱磁场（< 0.5 T）可以显著增强超荧光强度和DCP，SMBA样品的DCP在磁场下最高可达16.5%，且强度随磁场呈二次方增长。

图4.可调磁场的手性超荧光。(a)显示磁共振谱学方案的钙钛矿超晶格示意图。这个样品由550纳米的激光脉冲驱动，并置于与SF检测方向垂直的磁场中。(b)二维彩色图显示了非手性PEA（170 µJ cm⁻²）、左旋SMBA（68 µJ cm⁻²）和右旋RMBA（92 µJ cm⁻²）钙钛矿超晶格在周期磁场强度下的荧光发射光谱。(c)上图显示了SMBA钙钛矿超晶格（198 µJ cm⁻²）左旋圆偏振SF强度随磁场变化的关系。实线为拟合曲线：ISF(B) = ISF + b′B²。底部，对应的时间积分DCP。实线为拟合曲线DCP(B) = DCP(0) + c′B²，其中b′和c′为拟合参数。

5 设备介绍

HiLight HS15

稳瞬态荧光光谱仪

HiLight HS15是一款高灵敏稳态与瞬态荧光光谱仪，面向光致发光材料的综合光谱和寿命研究。系统支持PL、TRPL、TRES、荧光与磷光寿命、量子产率和多维光谱。适用于荧光材料、磷光材料、量子点、半导体、光催化和长寿命发光体系分析。延迟荧光、磷光、室温磷光、长余辉、近红外发光和光催化中间态研究需要兼顾稳态光谱、寿命和时间分辨发射。HiLight HS15适合作为光致发光综合测量主机，按波段、时间范围和样品环境配置探测器、光源与附件。

5.1 技术特点

(1) 以光致发光为核心，支持PL、TRPL、TRES、荧光/磷光寿命、量子产率及多维光谱等测试。

(2) 一体式全反射光路提升长期稳定性，并采用影像校准、自动狭缝和自动滤光控制。

(3) 工作波段可配置200-5500 nm，时间范围覆盖2.5 ns-1200 s，适配荧光、磷光及延迟发光材料。

(4) 系统IRF50ps，波长准确度达到±0.2 nm，水拉曼信噪比达30,000:1量级，杂散光抑制达到10⁻⁵量级。

(5) 多种光源、探测器和样品附件可围绕紫外、可见、近红外及不同寿命范围配置，适应课题变化。

5.2 设备优势

(1) 相较HiLight 990，HS15聚焦光致发光表征，以更清晰的功能边界服务材料光谱与寿命研究。

(2) 一体式光路、宽时域和高信噪比兼顾高水平研究所需的稳定性、灵敏度与应用覆盖。

(3) 光源、探测器和附件配置灵活，可围绕不同材料波段及时间尺度构建专用方案。

(4) 高灵敏稳瞬态光致发光测量和宽附件扩展能力，使其适合作为材料光谱实验室的长期主力仪器。

原文参考：Chiral superfluorescence from perovskite superlattices at room temperature