Атомы в кристаллических твёрдых телах иногда вибрируют согласованно, что приводит к появлению эмерджентных явлений, известных как фононы. Поскольку эти коллективные вибрации определяют скорость передачи тепла и энергии через материалы, они играют центральную роль в устройствах, которые улавливают или излучают свет, таких как солнечные батареи и светодиоды.
Команда исследователей из Университета Райса и их коллеги нашли способ заставить два разных фонона во тонких плёнках перовскита на основе галогенида свинца настолько сильно взаимодействовать со светом, что они сливаются в совершенно новые гибридные состояния вещества.
Это открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, может стать новым мощным инструментом для управления тем, как перовскитные материалы поглощают и транспортируют энергию.
Чтобы заставить определённую частоту света в терагерцевом диапазоне взаимодействовать с фононами в галогенидных кристаллах перовскита, исследователи изготовили наноразмерные щели — каждая примерно в тысячу раз тоньше, чем лист пищевой плёнки — в тонком слое золота. Щели действовали как крошечные металлические ловушки для света, настраивая его частоту так, чтобы она соответствовала частоте фононов, и тем самым вызывая сильную форму взаимодействия, известную как «сверхсильная связь».
Дасом Ким, выпускник докторантуры Университета Райса и первый автор исследования, сказал: «Насколько нам известно, это первая демонстрация при комнатной температуре в тонкой плёнке перовскита, где два фонона переходят в режим сверхсильной связи с помощью одного сконструированного терагерцевого резонанса».
Для настройки эффекта исследователи изготовили наноразмерные щели семи разных размеров: более длинные щели улавливали свет с более низкой частотой, а более короткие — с более высокой. Целью было точно согласовать частоту заключённого света с частотами колебаний перовскитного материала.
«Мы изготовили массивы наноразмерных щелей с семью слегка разными длинами, чтобы настроить один терагерцевый резонанс, и нанесли сверху тонкие плёнки перовскита», — сказал Ким. «Разработка геометрии щелей позволила нам сформировать взаимодействие между светом и фононами перовскита без использования мощных лазерных импульсов или громоздких кристаллов».
Результатом стало появление трёх различных гибридных квантовых состояний, известных как фононные поляритоны, каждое из которых представляет собой новую смесь вибрации и света.
«Коэффициент связи достиг примерно 30% от частоты фонона при комнатной температуре», — сказал Ким.
Способность организовывать такие сильные экзотические взаимодействия между несколькими квантовыми модами без использования внешних факторов открывает новые пути управления потоком энергии в оптоэлектронике.
Экспериментальные результаты были подтверждены с помощью численного моделирования и теоретической квантовой модели, которые позволили исследователям рассчитать фактическую силу связи и подтвердить, что два фононных режима действительно работают в режиме сверхсильной связи.
«Достижения в области нанопроизводства и качества перовскитных плёнок позволили нам надёжно достичь этого режима», — сказал Ким.
Джуничиро Коно, профессор инженерного дела Карла Ф. Хасселмана, профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии в Университете Райса и соответствующий автор исследования, сказал: «Это предлагает мягкий, совместимый с устройствами способ влиять на процессы, которые важны для улавливания света и его излучения, потенциально улучшая производительность и снижая потери энергии».
«Что отличает этот результат, так это то, что мы смогли обнаружить совершенно новое поведение фононов без экстремальных условий, просто тщательно разработав наноразмерную среду», — добавил Коно, который также является директором Института Смоллей-Керла в Университете Райса.