Observação experimental da localização Wannier-Stark transitória e o diagrama visualizado. a Espectros de transmissão diferencial experimental em um filme policristalino de perovskita MAPbI3 em temperatura ambiente, em função do tempo de atraso dos pulsos da sonda após os pulsos da bomba THz. Os pulsos THz têm uma intensidade de campo de pico de 6 MV / cm e uma frequência central de 20 THz; os pulsos da sonda têm energia de fóton de 1,4 ~ 2,4 eV. b Perfil temporal do transiente de polarização THz aplicado. c Imagem esquemática da localização Wannier-Stark. Na presença de campos externos fortes ao longo do eixo c, estados eletrônicos (laranja:banda de condução, azul:banda de valência) estão localizadas em algumas camadas do plano ab e energeticamente separadas por ΔεWSL =eETHzD entre locais de rede adjacentes. As setas pretas representam as transições entre bandas dentro do mesmo local (n =0) e entre diferentes locais (n =± 1). d A absorbância com e sem polarização transiente externa. A localização Wannier-Stark reduz efetivamente a estrutura eletrônica 3D em uma estrutura em camadas 2D ao longo do plano ab, conforme representado em azul junto com a estrutura 3D simplificada. No caso de ETHz =6 MV / cm ao considerar a constante de rede D de 12,5 Å, ΔεWSL =eETHzD é estimado em 750 meV, consistente com o espectro que mostra que a banda de absorção de n =-1 e n =0 estão separados por ~ 750 meV. Crédito:DOI:10.1038 / s41467-021-26021-4
Cientistas da Paderborn University, o Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros e a Universidade de Konstanz conseguiram atingir um estado quântico raro. Eles são os primeiros a ter demonstrado a localização Wannier-Stark em uma substância policristalina. Previsto há cerca de 80 anos, o efeito só foi comprovado recentemente - em um monocristal.
Até agora, os pesquisadores presumiram que essa localização só seria possível em substâncias monocristalinas que são muito complicadas de produzir. As novas descobertas representam um avanço no campo da física e podem, no futuro, dar origem a novos moduladores ópticos, por exemplo, que pode ser usado em tecnologias de informação baseadas em luz, entre outras coisas. Os físicos publicaram suas descobertas na respeitada revista técnica, Nature Communications .
Mais forte e mais rápido que um raio
Os átomos de um cristal são organizados em uma grade tridimensional, mantidos juntos por ligações químicas. Esses laços podem, Contudo, ser dissolvido por campos elétricos muito fortes que deslocam átomos, indo tão longe a ponto de introduzir tanta energia no cristal que ele é destruído. Isso é o que acontece quando os raios e os materiais se liquefazem, vaporizar ou queimar, por exemplo. Para demonstrar a localização Wannier-Stark, os experimentos dos cientistas envolveram a criação de campos elétricos de vários milhões de volts por centímetro, muito mais forte do que os campos envolvidos em quedas de raios. Durante este processo, o sistema eletrônico de um sólido - neste caso, um policristal - é forçado para longe do estado de equilíbrio por um período muito curto.
"A localização Wannier-Stark envolve praticamente desligar algumas das ligações químicas temporariamente. Este estado só pode ser mantido por menos de um picossegundo - um milionésimo de um milionésimo de segundo - sem destruir a substância. Uma vez que o campo elétrico dentro do cristal é suficientemente forte, as ligações químicas para o campo são desativadas, renderizando o cristal brevemente como um sistema de camadas não ligadas. O caos reina. O fenômeno se correlaciona com mudanças drásticas na estrutura eletrônica do cristal, resultando em mudanças bruscas nas características ópticas, em particular, alta não linearidade óptica, "explica o professor Torsten Meier da Paderborn University, quem foi o responsável pela análise teórica dos experimentos. Os efeitos não lineares podem dar origem a novas frequências, por exemplo, sem o qual a manipulação direcionada da luz necessária para as telecomunicações modernas não seria possível.
A mudança de monocristalino para policristalino
O efeito foi demonstrado pela primeira vez há três anos, usando intensa radiação terahertz em uma estrutura cristalina particular, envolvendo o arranjo preciso da estrutura atômica, em um cristal de arsenieto de gálio. "Este arranjo preciso foi necessário para que pudéssemos observar a localização induzida pelo campo, "explica Meier, que simularam e descreveram os experimentos realizados na Universidade de Konstanz em 2018. Agora, os físicos deram um passo adiante.
"Queríamos investigar se a perovskita policristalina, comumente usado em células solares e LEDs, também pode ser usado como um modulador óptico, "diz Heejae Kim, líder da equipe no Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros. Os moduladores ópticos direcionam as características da luz para torná-la utilizável de maneiras adicionais. Entre outras coisas, eles são usados em telecomunicações, LCDs, lasers de diodo e processamento de materiais. Contudo, até agora sua fabricação não era apenas cara, mas também quase exclusivamente restrito ao campo dos monocristais. Os policristais como a perovskita podem mudar isso, sendo usados como moduladores acessíveis com uma ampla gama de aplicações no futuro.
Simulações provam conjecturas
"Apesar da orientação aleatória dos cristalitos individuais, os pequenos blocos de construção dentro do policristal, pudemos observar resultados claros que correspondem às características da localização Wannier-Stark, "continua Kim. As simulações realizadas em Paderborn posteriormente confirmaram essas descobertas. Meier explica, "Embora a amostra seja policristalina, parece que as mudanças induzidas pelo campo nas características ópticas são dominadas por uma orientação particular entre os cristalitos e o campo elétrico. "
Além da primeira realização da localização Wannier-Stark em uma substância policristalina, há uma coisa que é particularmente digna de nota:a intensidade do campo necessária para observar o efeito é consideravelmente mais baixa do que no arsenieto de gálio monocristalino. De acordo com Kim, “Isso é resultado da estrutura atômica da perovskita, isso é, da coincidência de uma alta constante de rede - a distância entre os átomos - e um espectro estreito em uma orientação de cristal em particular. Os planos futuros dos pesquisadores envolvem uma investigação mais completa desse estado extremo da matéria em nível atômico, pesquisando substâncias adicionais e examinando outras aplicações do efeito.
