Osservazione sperimentale della localizzazione transitoria di Wannier-Stark e del diagramma visualizzato. a Spettri sperimentali di trasmissione differenziale su un film policristallino di perovskite MAPbI3 a temperatura ambiente, in funzione del tempo di ritardo degli impulsi della sonda dopo gli impulsi della pompa THz. Gli impulsi THz hanno un'intensità di campo di picco di 6 MV/cm e una frequenza centrale di 20 THz; gli impulsi della sonda hanno un'energia fotonica di 1.4 ~ 2.4 eV. b Profilo temporale del transitorio di polarizzazione THz applicato. c Immagine schematica della localizzazione di Wannier-Stark. In presenza di forti campi esterni lungo l'asse c, stati elettronici (arancione:banda di conduzione, blu:banda di valenza) sono localizzati su alcuni strati del piano ab e separati energeticamente da ΔεWSL = eETHzD tra siti reticolari adiacenti. Le frecce nere rappresentano le transizioni interbanda all'interno dello stesso sito (n = 0) e tra siti diversi (n = ±1). d L'assorbanza con e senza la polarizzazione transitoria esterna. La localizzazione Wannier-Stark riduce efficacemente la struttura elettronica 3D in una struttura a strati 2D lungo il piano ab, come illustrato in blu insieme alla struttura 3D semplificata. Nel caso di ETHz = 6 MV/cm considerando la costante reticolare D di 12,5 Å, Si stima che ΔεWSL = eETHzD sia 750 meV, coerente con lo spettro che mostra che la banda di assorbimento di n = −1 e n = 0 sono distanti ~750 meV. Credito:DOI:10.1038/s41467-021-26021-4
Scienziati dell'Università di Paderborn, l'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri e l'Università di Costanza sono riusciti a ottenere uno stato quantico raro. Sono i primi ad aver dimostrato la localizzazione di Wannier-Stark in una sostanza policristallina. Predetto circa 80 anni fa, l'effetto è stato dimostrato solo di recente, in un monocristallo.
Fino ad ora, i ricercatori hanno ipotizzato che questa localizzazione fosse possibile solo in tali sostanze monocristalline che sono molto complicate da produrre. Le nuove scoperte rappresentano una svolta nel campo della fisica e potrebbero in futuro dare origine a nuovi modulatori ottici, Per esempio, utilizzabili nelle tecnologie dell'informazione basate sulla luce, tra l'altro. I fisici hanno pubblicato le loro scoperte sulla rinomata rivista tecnica, Comunicazioni sulla natura .
Più forte e più veloce di un fulmine
Gli atomi di un cristallo sono disposti in una griglia tridimensionale, tenuti insieme da legami chimici. Questi legami possono, però, essere dissolto da campi elettrici molto forti che spostano gli atomi, arrivando persino a introdurre così tanta energia nel cristallo da distruggerlo. Questo è ciò che accade quando i fulmini e i materiali si liquefanno, vaporizzare o bruciare, Per esempio. Per dimostrare la localizzazione di Wannier-Stark, gli esperimenti degli scienziati hanno comportato la creazione di campi elettrici di diversi milioni di volt per centimetro, molto più forte dei campi coinvolti nei fulmini. Durante questo processo, il sistema elettronico di un solido, in questo caso, un policristallo, viene forzato lontano da uno stato di equilibrio per un tempo molto breve.
"La localizzazione di Wannier-Stark comporta l'interruzione virtuale di alcuni dei legami chimici temporaneamente. Questo stato può essere mantenuto solo per meno di un picosecondo, un milionesimo di un milionesimo di secondo, senza distruggere la sostanza. Una volta che il campo elettrico all'interno del cristallo è abbastanza forte, i legami chimici verso il campo sono disattivati, rendendo il cristallo brevemente come un sistema di strati non legati. Regna il caos. Il fenomeno è correlato a drastici cambiamenti nella struttura elettronica del cristallo, con conseguente drastico cambiamento delle caratteristiche ottiche, in particolare, elevata non linearità ottica, " spiega il professor Torsten Meier dell'Università di Paderborn, responsabile dell'analisi teorica degli esperimenti. Gli effetti non lineari possono dare origine a nuove frequenze, Per esempio, senza la quale la manipolazione mirata della luce necessaria per le moderne telecomunicazioni non sarebbe possibile.
Il passaggio dal monocristallino al policristallino
L'effetto è stato dimostrato per la prima volta tre anni fa utilizzando un'intensa radiazione terahertz in una particolare struttura cristallina, coinvolgendo la precisa disposizione della struttura atomica, in un cristallo di arseniuro di gallio. "Questa precisa disposizione era necessaria per poter osservare la localizzazione indotta dal campo, " spiega Meier, che ha simulato e descritto gli esperimenti condotti all'Università di Costanza nel 2018. Ora i fisici hanno fatto un passo in più.
"Volevamo indagare se la perovskite policristallina, comunemente usato in celle solari e LED, può essere utilizzato anche come modulatore ottico, " dice Heejae Kim, capogruppo presso il Max Planck Institute for Polymer Research. I modulatori ottici mirano alle caratteristiche della luce per renderla utilizzabile in altri modi. Tra l'altro, sono utilizzati nelle telecomunicazioni, LCD, laser a diodi e lavorazione dei materiali. Però, fino ad ora la loro fabbricazione è stata non solo costosa, ma anche quasi esclusivamente ristretto al campo dei monocristalli. I policristalli come la perovskite potrebbero cambiarlo, essere utilizzati come modulatori convenienti con un'ampia gamma di applicazioni in futuro.
Le simulazioni dimostrano congetture
"Nonostante l'orientamento casuale dei singoli cristalliti, i piccoli mattoni all'interno del policristallo, abbiamo potuto osservare risultati chiari che corrispondono a quelli caratteristici della localizzazione di Wannier-Stark, " continua Kim. Le simulazioni effettuate a Paderborn hanno poi confermato questi risultati. Meier spiega, "Sebbene il campione sia policristallino, sembra che i cambiamenti indotti dal campo nelle caratteristiche ottiche siano dominati da un particolare orientamento tra i cristalliti e il campo elettrico."
Oltre alla prima realizzazione della localizzazione di Wannier-Stark in una sostanza policristallina, c'è una cosa che è particolarmente degna di nota:l'intensità del campo richiesta per osservare l'effetto è notevolmente inferiore a quella dell'arseniuro di gallio monocristallino. Secondo Kim, "Questo è il risultato della struttura atomica della perovskite, questo è, della coincidenza di un'elevata costante reticolare - la distanza tra gli atomi - e uno spettro ristretto in un particolare orientamento del cristallo. I piani futuri dei ricercatori prevedono un'indagine più approfondita su questo stato estremo della materia a livello atomico, ricercare ulteriori sostanze ed esaminare ulteriori applicazioni dell'effetto.
