NC de perovskita CsPbI3 estudiados mediante MDCS. (A) Espectros de absorción NC de perovskita en función de la temperatura. (B) Diagrama de niveles de energía de los estados triplete brillantes no degenerados {Ψi =x, y, z} que comprenden las transiciones de borde de banda hacia y desde | Ψg⟩. Se muestra que el estado singlete oscuro | Ψd⟩ se encuentra entre los estados | Ψy⟩ y | Ψz⟩. (C) Esquema del experimento MDCS. Tres pulsos {A, B, C} se enfocan en la muestra con retardos de tiempo variables. El recuadro muestra una micrografía electrónica de transmisión de CsPbI3 NC representativas. (D) Secuencia de pulsos de excitación y esquemas de polarización de excitación utilizados para adquirir espectros de un cuanto y de cero. en el que las flechas de doble cara en círculos denotan la polarización de cada pulso. Los pulsos A y C están polarizados horizontalmente, y el pulso B está polarizado horizontal o verticalmente, que corresponde a una señal emitida de polarización horizontal o vertical, respectivamente. a.u., unidades arbitrarias. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb3594
La optoelectrónica avanzada requiere materiales con características de nueva ingeniería. Los ejemplos incluyen una clase de materiales denominados perovskitas de haluro metálico que tienen un significado tremendo para formar células solares de perovskita con eficiencias fotovoltaicas. Los avances recientes también han aplicado nanocristales de perovskita en dispositivos emisores de luz. La emisión de luz inusualmente eficiente de perovskita de haluro de plomo de cesio puede deberse a una estructura fina excitónica única hecha de tres estados triplete brillantes que interactúan mínimamente con un estado singlete oscuro proximal. Los excitones son excitaciones electrónicas responsables de las propiedades emisoras de los semiconductores nanoestructurados, donde se espera que el estado excitónico de energía más baja sea de larga duración y, por lo tanto, de baja emisión (u 'oscuro').
En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Albert Liu y un equipo de científicos en física y química de la Universidad de Michigan, NOSOTROS., y la Universidad Estatal de Campinas, Brasil, utilizó espectroscopía coherente multidimensional a temperaturas criogénicas (ultra frías) para estudiar la estructura fina sin aislar los nanocristales individuales en forma de cubo. El trabajo reveló coherencias (propiedades de onda relativas al espacio y al tiempo) que involucran los estados tripletes de un yoduro de plomo de cesio (CsPbI 3 ) conjunto de nanocristales. Sobre la base de las medidas de coherencia triplete e inter-triplete, el equipo obtuvo un orden de nivel de estructura fina de excitón único compuesto por un estado oscuro, colocado energéticamente dentro del colector triplete brillante.
Construcción de un conjunto de nanocristales de haluro de plomo y cesio
En este trabajo, Liu y col. extrajo cifras cruciales de procesamiento de información para construir un conjunto de nanocristales de yoduro de plomo y cesio (CsPbI 3 ) a temperaturas criogénicas. Las primeras perovskitas sintéticas de haluro de plomo de cesio se desarrollaron hace más de un siglo con una fórmula química general de CsPbX 3 (donde X =cloro — Cl, bromo — Br, o yodo — I) y una producción reciente formó CsPbX 3 nanocristales que combinaban las ventajas de las perovskitas con las de los materiales de nanocristales coloidales. Los nanocristales de perovskita exhibieron luminiscencia con un rendimiento cuántico para alcanzar casi la unidad en contraste con los nanocristales de calcogenuro con una capa de gradiente.
Coherencias de tripletes ópticos en espectros de un cuántico. (A y B) Espectro cuántico de magnitud a 4,6 K con excitación (A) colineal y (B) lineal cruzada. Las flechas punteadas blancas / rojas y las líneas negras sólidas indican las ubicaciones de los cortes cruzados y los espectros de pulso láser, respectivamente. (C y D) Los gráficos inferiores muestran cortes cruzados normalizados centrados en | ħωτ | =| ħωt | =1900 meV del espectro de un cuanto de excitación lineal (C) colineal y (D) de excitación lineal cruzada. Los gráficos superiores muestran las resistencias máximas relativas calculadas teóricamente en el marco de referencia NC (consulte los Materiales suplementarios). Los números etiquetan los picos que surgen de las coherencias y poblaciones electrónicas entre bandas. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb3594
El brillo inusual de los nanocristales de perovskita se originó a partir de una sustancia ópticamente activa, Estado triplete no degenerado que emite de manera eficiente a pesar de la presencia de un estado singlete oscuro. Las estructuras finas de excitón únicas de los nanocristales de perovskita mejoraron el potencial de los nanocristales coloidales para aplicaciones de procesamiento de información cuántica. Sin embargo, Los investigadores requieren un conocimiento profundo de la dinámica coherente en los nanocristales de perovskita para diseñar los estados de superposición de excitones como portadores de información. que no fueron bien entendidos. Liu y col. por lo tanto, usó espectroscopía coherente multidimensional para medir los excitones del estado triplete y presentó evidencia de un orden mixto de niveles brillantes-oscuros, lo que hizo que los excitones del estado triplete fueran solo parcialmente brillantes. Luego, el equipo utilizó nanocristales de perovskita como una plataforma de material potencial para aplicaciones cuánticas a través de métodos de ingeniería de abajo hacia arriba.
Vías cuánticas de estado triplete y diagramas de Feynman
Para realizar espectroscopia coherente multidimensional, El equipo utilizó un espectrómetro óptico multidimensional no lineal que enfocaba tres pulsos de láser en el conjunto de nanocristales de perovskita en función de tres retardos de tiempo diferentes (τ, T , y t ). Durante los experimentos, los científicos Fourier transformaron la señal de mezcla de cuatro ondas emitida en función de dos o los tres retardos de tiempo en un espectro multidimensional. Comúnmente se refirieron a las secuencias resultantes de interacciones luz-materia como vías cuánticas. El equipo representó conceptualmente las vías cuánticas utilizando diagramas de Feynman de doble cara. Los diagramas contenían secuencias dispuestas verticalmente de elementos de la matriz de densidad que comenzaron con una población de estado fundamental inicial donde el tiempo avanzó hacia arriba. con cambios introducidos en la matriz de densidad por interacciones con cada pulso de excitación. Observaron tres tipos de vías cuánticas definidas como "emisión en estado excitado" (ESE), "blanqueador en estado fundamental" (GSB) y "absorción en estado excitado" (ESA), y solo se consideraron las vías de ESE y GSB durante este trabajo.
Diagramas de Feynman de doble cara de vías cuánticas. Diagramas de Feynman de doble cara que representan vías cuánticas accesibles en nanocristales de perovskita. Son posibles nueve diagramas ESE y GSB cada uno, que implican una población / coherencia en estado excitado intermedio y una población en estado fundamental respectivamente. La posición del pico de cada diagrama en un espectro cuántico está etiquetada arriba. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb3594
Los estudios de transformación de Fourier habían revelado previamente nuevas propiedades electrónicas de varios materiales de perovskita. Para sondear experimentalmente diferentes vías cuánticas, el equipo eligió la polarización del segundo pulso láser en la configuración para alinearse en paralelo u ortogonalmente con la polarización colineal de los otros dos pulsos. Obtuvieron un espectro cuántico único a una temperatura de 4,6 K con excitación colineal y lineal cruzada. Los espectros revelaron numerosos picos alargados en la dirección diagonal para reflejar un ensanchamiento espectral no homogéneo. Para explicar la estructura de picos para ambos esquemas de polarización de excitación, Liu y col. calculó teóricamente las resistencias de los picos relativos para los elementos de la matriz de dipolos variables y las orientaciones vectoriales de cada transición de estado de triplete y extrajo conclusiones importantes de los cálculos. En comparación con las técnicas de mezcla de cuatro ondas integradas, Los espectros de un cuántico fueron particularmente útiles en este trabajo.
Cálculos de fuerza máxima. (A) Secuencias de polarización de excitación como se describe. (B) Esquema de las orientaciones del vector de momento dipolar, en el cual
Coherencias inter-triplete de terahercios en espectros cuánticos cero
Liu y col. A continuación, mostró muchas de las vías cuánticas para generar bandas laterales en relación con las coherencias entre tripletes, es decir., coherencias cuánticas entre estados triplete que no están necesariamente acoplados por dipolos. El tiempo de coherencia inter-triplete definió la escala de tiempo dentro de la cual los estados de superposición involucrados podrían manipularse coherentemente en la configuración experimental, que era de importancia práctica. Para medir y caracterizar directamente estas coherencias, el equipo utilizó espectros cuánticos cero con diferentes retrasos de tiempo y temperaturas (τ =0 y 20 K). Para excitación lineal cruzada, los investigadores aislaron las vías de coherencia entre triples pasando la señal de mezcla de cuatro ondas medida a través de un polarizador vertical para trazar una línea cruzada resultante, espectro cuántico cero a 20 K. Las coherencias entre tripletes eran robustas contra el desfase térmico (hasta 40 K) y el trabajo también mostró la naturaleza electrónica de la señal de mezcla de cuatro ondas.
Coherencias inter-triplete de terahercios en espectros cuánticos cero. (A) Espectro cuántico de magnitud cero tomado en τ =0 fs y 20 K. Se observan dos bandas laterales debido a coherencias entre tripletes. (B) Evolución de los cortes normalizados tomados a lo largo de la línea roja discontinua en (A) a ħωτ =1890 meV en función del retardo τ (a 20 K) y las temperaturas [10, 15, 20, 25, 30, 40] K (en τ =0 fs). (C) Ajuste de corte transversal normalizado tomado en τ =0 fs, en el que los Lorentzianos complejos de los picos 6 y 8 se desplazan en las fases −π / 2 con respecto al pico 7. Las curvas sombreadas representan las cuadraturas reales de cada Lorentziano en la forma de la línea de ajuste, y el gráfico superior es la fase de la forma de línea compleja ajustada. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb3594
De este modo, Albert Liu y sus colegas midieron y caracterizaron las coherencias de tripletes de frecuencia óptica y las coherencias entre tripletes en redes de perovskita. Los resultados fueron significativamente diferentes de los reportados previamente para otros nanocristales de haluro de plomo. Parece que incluso un ligero cambio en un solo átomo constituyente de la red de perovskita podría alterar drásticamente las interacciones que determinaron el orden fino a nivel estructural, lo que justifica una mayor investigación. El equipo presentó de manera experimental y teórica evidencia de un borde de banda de excitón cuya emisión se apaga parcialmente por un estado oscuro intermedio para contribuir a una visión importante de los estados fundamentales del excitón en una variedad de nanocristales de perovskita con aplicaciones potenciales para el procesamiento de información cuántica.
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