p A optoeletrônica avançada requer materiais com características recentemente projetadas. Os exemplos incluem uma classe de materiais denominados perovskitas de haleto metálico, que têm um enorme significado para formar células solares de perovskita com eficiências fotovoltaicas. Avanços recentes também aplicaram nanocristais de perovskita em dispositivos emissores de luz. A emissão de luz excepcionalmente eficiente de perovskita de haleto de chumbo de césio pode ser devido a uma estrutura fina excitônica única feita de três estados tripletos brilhantes que interagem minimamente com um estado singlete escuro proximal. Excitons são excitações eletrônicas responsáveis ​​pelas propriedades emissivas de semicondutores nanoestruturados, onde se espera que o estado excitônico de energia mais baixa tenha vida longa e, portanto, emita mal (ou "escuro"). p Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Albert Liu e uma equipe de cientistas em física e química da Universidade de Michigan, NÓS., e Universidade Estadual de Campinas, Brasil, usou espectroscopia coerente multidimensional em temperaturas criogênicas (ultra-frias) para estudar a estrutura fina sem isolar os nanocristais únicos em forma de cubo. O trabalho revelou coerências (propriedades de onda em relação ao espaço e tempo) envolvendo os estados triplos de um iodeto de chumbo de césio (CsPbI ₃ ) conjunto de nanocristais. Com base nas medições de coerências tripleto e intertripleto, a equipe obteve uma ordenação de nível de estrutura fina de exciton única composta de um estado escuro, energeticamente posicionado dentro do coletor de trigêmeos brilhantes.

p Construindo um conjunto de nanocristais de haleto de césio e chumbo

p Nesse trabalho, Liu et al. extraíram figuras cruciais de processamento de informação para construir um conjunto de nanocristais de césio e iodeto de chumbo (CsPbI ₃ ) em temperaturas criogênicas. As primeiras perovskitas sintéticas de haleto de chumbo e césio foram desenvolvidas há mais de um século com uma fórmula química geral de CsPbX ₃ (onde X =cloro — Cl, bromo - Br, ou Iodo-I) e uma produção recente formou CsPbX ₃ nanocristais que combinavam as vantagens das perovskitas com as dos materiais nanocristais coloidais. Os nanocristais de perovskita exibiram luminescência com rendimento quântico para atingir quase a unidade, em contraste com os nanocristais de calcogeneto com uma camada de gradiente.

p O brilho incomum de nanocristais de perovskita originado de um opticamente ativo, estado de tripleto não degenerado que emite com eficiência apesar da presença de um estado de singleto escuro. As estruturas únicas de excitons finos dos nanocristais de perovskita melhoraram o potencial dos nanocristais coloidais para aplicações de processamento de informações quânticas. Contudo, pesquisadores requerem conhecimento íntimo da dinâmica coerente em nanocristais de perovskita para projetar os estados de superposição de excitons como portadores de informação, que não foram bem compreendidos. Liu et al. portanto, usou espectroscopia coerente multidimensional para medir os excitons de estado tripleto e apresentou evidências para uma ordenação de nível claro-escuro misto, o que tornava os excitons do estado de trigêmeos apenas parcialmente brilhantes. A equipe então usou nanocristais de perovskita como uma plataforma de material potencial para aplicações quânticas por meio de métodos de engenharia de baixo para cima.

p Vias quânticas de estado tripleto e diagramas de Feynman

p Para conduzir espectroscopia coerente multidimensional, a equipe usou um espectrômetro não linear ótico multidimensional que focou três pulsos de laser no conjunto nanocristal de perovskita como uma função de três atrasos de tempo diferentes (τ, T , e t ) Durante os experimentos, os cientistas Fourier transformaram o sinal de mistura de quatro ondas emitido em função de dois ou todos os três atrasos de tempo em um espectro multidimensional. Eles comumente se referiam às sequências resultantes das interações luz-matéria como vias quânticas. A equipe representou conceitualmente as vias quânticas usando diagramas de Feynman de dupla face. Os diagramas continham sequências organizadas verticalmente de elementos de matriz de densidade que começaram com uma população de estado fundamental inicial onde o tempo avançava para cima, com mudanças introduzidas na matriz de densidade por interações com cada pulso de excitação. Eles observaram três tipos de vias quânticas definidas como "emissão de estado excitado" (ESE), "alvejante de estado fundamental" (GSB) e "absorção de estado excitado" (ESA), e considerou apenas as vias ESE e GSB durante este trabalho.

p Estudos de transformação de Fourier já haviam revelado novas propriedades eletrônicas de vários materiais de perovskita. A fim de testar experimentalmente diferentes vias quânticas, a equipe escolheu a polarização do segundo pulso de laser na configuração para alinhar paralelamente ou ortogonalmente à polarização colinear dos outros dois pulsos. Eles obtiveram um espectro quântico único a uma temperatura de 4,6 K com excitação colinear e linear cruzada. Os espectros revelaram numerosos picos alongados na direção diagonal para refletir o alargamento espectral não homogêneo. Para explicar a estrutura de pico para ambos os esquemas de polarização de excitação, Liu et al. calculou teoricamente as intensidades de pico relativas para os elementos de matriz dipolo e orientações de vetor de cada transição de estado de tripleto e tirou conclusões importantes dos cálculos. Em comparação com as técnicas de mistura de quatro ondas integradas, espectros de um quantum foram particularmente úteis neste trabalho.

p Coerências intertripletos de Terahertz em espectros quânticos zero

p Liu et al. em seguida, mostrou muitas das vias quânticas para gerar bandas laterais em relação às coerências entre os trigêmeos, ou seja, coerências quânticas entre estados tripletos que não são necessariamente acoplados a dipolo. O tempo de coerência intertripleto definiu a escala de tempo dentro da qual os estados de superposição envolvidos poderiam ser manipulados de forma coerente na configuração experimental, que era de importância prática. Para medir e caracterizar diretamente essas coerências, a equipe usou espectros quânticos zero em atrasos de tempo e temperaturas variáveis ​​(τ =0 e 20 K). Para excitação linear cruzada, os pesquisadores isolaram as vias de coerência entre tripletos, passando o sinal de mistura de quatro ondas medido através de um polarizador vertical para traçar uma linear cruzada resultante, espectro quântico zero a 20 K. As coerências inter-tripletos foram robustas contra defasagem térmica (até 40 K) e o trabalho também mostrou a natureza eletrônica do sinal de mistura de quatro ondas.

p Desta maneira, Albert Liu e colegas mediram e caracterizaram as coerências de tripleto de frequência óptica e coerências intertripleto em redes de perovskita. Os resultados foram significativamente diferentes daqueles relatados anteriormente para outros nanocristais de haleto de chumbo. Parece que mesmo uma ligeira mudança em um único átomo constituinte da rede perovskita poderia alterar drasticamente as interações que determinaram o ordenamento de nível estrutural fino, o que justifica uma investigação mais aprofundada. A equipe apresentou experimentalmente e teoricamente evidências de uma borda de banda de excitons cuja emissão é parcialmente extinta por um estado escuro intermediário para contribuir com informações importantes para os estados fundamentais de excitons em uma variedade de nanocristais de perovskita com aplicações potenciais para processamento de informação quântica. p © 2021 Science X Network