La superfluorescence dans les pérovskites décryptée dans la revue Nature

La physique quantique recèle de phénomènes surprenants. Parmi ceux-ci, la superfluorescence. La photoluminescence, ou fluorescence, est l’émission spontanée de lumière par un matériau qui a été illuminé (par un laser, une lampe UV, la lumière du jour, etc.). La superfluorescence voit cet effet s’amplifier lorsque les constituants microscopiques du matériau agissent de concert et génèrent l’émission spontanée de lumière sous une forme plus exotique, c’est-à-dire par des impulsions ultrabrèves et aléatoires.  

Des effets collectifs 

Représentez-vous une multitude d’oiseaux se rassemblant en une nuée qui se déplace comme un seul organisme. La physique quantique permet de tels effets collectifs (superfluorescence, supraconductivité, superfluidité, entre autres), avec des mécanismes bien différents des vols d’oiseaux ! Mais si la superfluorescence a été prédite dès 1954, et observée depuis, elle reste très difficile à mettre en évidence et à comprendre en détail, notamment dans les solides.

L’article paru dans la revue Nature, mené en collaboration par des chercheurs de l’université de Caroline du Nord, de l'université Duke, de l'université de Boston et de l'École polytechnique, explique pourquoi certains matériaux fonctionnent mieux que d’autres pour la superfluorescence.

Si ce phénomène est difficile à observer, c’est parce que les effets quantiques qui la rendent possible (en particulier, l’intrication) sont très sensibles à toutes les perturbations extérieures et disparaissent rapidement (les physiciens appellent cela la « décohérence »). Ce processus est d’autant plus marqué que la température est élevée, ce qui limite souvent le déroulement de ces phénomènes à très basse température.

Dans les pérovskites hybrides, les constituants microscopiques qui agissent ensemble sont des « excitons », un terme que les physiciens utilisent pour désigner une paire formé un électron et un trou (c’est-à-dire une absence d’électron à un endroit). Les scientifiques ont montré que, dans les pérovskites hybrides, à température ambiante, il peut y avoir une synchronisation entre l’état collectif des excitons et les vibrations du réseau d’atomes du matériau (les phonons), lorsque ce dernier est illuminé par un laser femtoseconde. Cet effet favorise la superfluorescence. 

Modéliser la superfluorescence

Les auteurs de l’étude ont mené à la fois des expériences et des modélisations théoriques pour analyser et confirmer ce mécanisme. C’est sur ce dernier point que l’équipe de Vasily Temnov au LSI a apporté une contribution majeure. Une part essentielle de ces modélisation et simulation a été réalisée par Antonia Ghita, ancienne étudiante de Bachelor à l’Ecole polytechnique et aujourd’hui en thèse au California Institute of Technology.  Antonia Ghita est venue au LSI dans le cadre de stage d’été après sa première année de Bachelor, puis pour des projets de recherche en laboratoire (PRL) en 2022-2023. « C’est une des étudiantes les plus brillantes que j’ai rencontré, elle s’est entièrement approprié les outils théoriques et numériques de l’optique quantique » souligne Vasily Temnov. « Cela confirme l’importance de l’environnement unique de l’École polytechnique et de sa méthode d’enseignement par la recherche, qui permet de confier de véritables projets de recherche à des étudiants demandeurs » poursuit-il.

Les scientifiques comptent bien continuer cette collaboration au-delà de cet article dans Nature, afin d’approfondir la compréhension fondamentale de la superfluorescence, et pourquoi pas d’autres phénomènes quantiques collectifs. A plus long terme, cela pourrait contribuer au développement du calcul quantique, qui est aussi limité par la décohérence. Pour Vasily Temnov, la prochaine étape est d’établir un laboratoire d’optique quantique ultrarapide de premier plan au sein du LSI, une initiative déjà soutenue par le Département de Physique de l’Ecole polytechnique avec un montage d’un nouveau Projet de Recherche en Laboratoire « Quantum Acousto-Magneto-Plasmonics» et le projet Tremplin du CNRS entitule «Ultrafast Quantum Probe for Acousto-Magneto-Plasmonics ». 

L’article scientifique :

Biliroglu, M., Türe, M., Ghita, A. et al. Unconventional solitonic high-temperature superfluorescence from perovskites. Nature 642, 71–77 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09030-x

*LSI : une Unité Mixte de Recherche CNRS UMR 7642, CEA,École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France