Gli scienziati hanno teorizzato che le perovskiti organometalliche ad alogenuri, una classe di materiali "meravigliosi" che raccolgono la luce per applicazioni in celle solari ed elettronica quantistica, sono così promettenti a causa di un meccanismo invisibile ma molto controverso chiamato effetto Rashba. Gli scienziati del Laboratorio Ames del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno ora dimostrato sperimentalmente l'esistenza dell'effetto nelle perovskiti sfuse, utilizzando brevi lampi di luce a microonde per produrre e quindi registrare un ritmo, molto simile alla musica, del moto quantistico accoppiato di atomi ed elettroni in questi materiali.

Le perovskiti agli alogenuri organometallici sono state introdotte per la prima volta nelle celle solari circa un decennio fa. Da allora, sono stati studiati intensamente per l'uso nella raccolta della luce, fotonica, e dispositivi elettronici di trasporto, perché offrono proprietà ottiche e dielettriche molto ricercate. Combinano le elevate prestazioni di conversione energetica dei tradizionali dispositivi fotovoltaici inorganici, con i costi dei materiali economici e i metodi di fabbricazione delle versioni organiche.

La ricerca finora ha ipotizzato che la straordinaria elettronica dei materiali, le proprietà magnetiche e ottiche sono legate all'effetto Rashba, un meccanismo che controlla la struttura magnetica ed elettronica e la durata dei portatori di carica. Ma nonostante i recenti intensi studi e dibattiti, prove conclusive degli effetti Rashba nelle perovskiti agli alogenuri organometallici sfusi, utilizzato nelle celle solari perovskite più efficienti, rimasto molto sfuggente.

Gli scienziati del laboratorio Ames hanno scoperto che le prove usando la luce terahertz, esplosioni di luce estremamente forti e potenti che sparano a trilioni di cicli al secondo, accendere o sincronizzare un "battito" di movimento quantistico all'interno di un campione di materiale; e una seconda esplosione di luce per "ascoltare" i battiti, innescando un ricevitore ultraveloce per registrare immagini dello stato oscillante della materia. Questo approccio ha superato i limiti dei metodi di rilevamento convenzionali, che non aveva la risoluzione o la sensibilità per catturare l'evidenza dell'effetto Rashba nascosto nella struttura atomica del materiale.

"La nostra scoperta risolve il dibattito sulla presenza di effetti Rashba:esistono in materiali di perovskite ad alogenuri metallici sfusi". disse Jigang Wang, scienziato senior presso l'Ames Laboratory e professore di fisica presso la Iowa State University. "Dirigendo i movimenti quantistici di atomi ed elettroni per progettare le bande divise di Rashba, otteniamo un significativo balzo in avanti per la scoperta fondamentale dell'effetto che era stato nascosto da fluttuazioni locali casuali, e aprono anche entusiasmanti opportunità per applicazioni spintroniche e fotovoltaiche basate sul controllo quantistico dei materiali perovskite".

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento, "Controllo ultraveloce della struttura fine di Rashba eccitonica mediante coerenza fononica nella perovskite ad alogenuri metallici CH3NH3PbI3, " scritto da Z. Liu, C. Vaswani, X. Yang, X. Zhao, Y. Yao, Z. Canzone, D. Cheng, Y. Shi, L. Luo, D.-H. Mudiyanselage, C. Huang, J.-M. Parco, R.H.J. Kim, J. Zhao, Y. Yan, K.-M. oh, e J. Wang; e pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Wang e i suoi collaboratori presso l'Ames Laboratory e il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Iowa State University erano responsabili della spettroscopia a battito quantistico di terahertz, costruzione di modelli, e simulazioni teoriche del funzionale densità. Materiali di perovskite di alta qualità sono stati forniti dall'Università di Toledo. Le simulazioni degli spettri fononici sono state eseguite presso l'Università della scienza e della tecnologia della Cina.