Observación experimental de la localización transitoria de Wannier-Stark y el diagrama visualizado. a Espectros experimentales de transmisión diferencial en una película policristalina de perovskita MAPbI3 a temperatura ambiente, en función del tiempo de retardo de los pulsos de la sonda después de los pulsos de la bomba THz. Los pulsos de THz tienen una intensidad de campo máxima de 6 MV / cm y una frecuencia central de 20 THz; los pulsos de la sonda tienen una energía fotónica de 1.4 ~ 2.4 eV. b Perfil temporal del transitorio de polarización de THz aplicado. c Imagen esquemática de la localización de Wannier-Stark. En presencia de campos externos intensos a lo largo del eje c, estados electrónicos (naranja:banda de conducción, azul:banda de valencia) se localizan en unas pocas capas del plano ab y están energéticamente separados por ΔεWSL =eETHzD entre sitios de celosía adyacentes. Las flechas negras representan las transiciones entre bandas dentro del mismo sitio (n =0) y entre diferentes sitios (n =± 1). d La absorbancia con y sin polarización transitoria externa. La localización de Wannier-Stark reduce eficazmente la estructura electrónica 3D en una estructura en capas 2D a lo largo del plano ab, como se muestra en azul junto con la estructura 3D simplificada. En el caso de ETHz =6 MV / cm considerando la constante de celosía D de 12.5 Å, ΔεWSL =eETHzD se estima en 750 meV, consistente con el espectro que muestra que la banda de absorción de n =-1 yn =0 están separados por ~ 750 meV. Crédito:DOI:10.1038 / s41467-021-26021-4
Científicos de la Universidad de Paderborn, el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros y la Universidad de Konstanz han logrado un estado cuántico raro. Son los primeros en haber demostrado la localización de Wannier-Stark en una sustancia policristalina. Previsto hace unos 80 años, el efecto sólo ha sido probado recientemente, en un monocristal.
Hasta ahora, los investigadores supusieron que esta localización solo era posible en sustancias monocristalinas que son muy complicadas de producir. Los nuevos hallazgos representan un gran avance en el campo de la física y podrían dar lugar en el futuro a nuevos moduladores ópticos. por ejemplo, que se puede utilizar en tecnologías de la información basadas en la luz, entre otras cosas. Los físicos han publicado sus hallazgos en la respetada revista técnica, Comunicaciones de la naturaleza .
Más fuerte y más rápido que un rayo
Los átomos de un cristal están dispuestos en una cuadrícula tridimensional, unidos por enlaces químicos. Estos lazos pueden, sin embargo, ser disuelto por campos eléctricos muy fuertes que desplazan átomos, incluso yendo tan lejos como para introducir tanta energía en el cristal que se destruye. Esto es lo que sucede cuando cae un rayo y los materiales se licúan, vaporizar o arder, por ejemplo. Para demostrar la localización de Wannier-Stark, Los experimentos de los científicos implicaron la creación de campos eléctricos de varios millones de voltios por centímetro, mucho más fuerte que los campos involucrados en los rayos. Durante este proceso, el sistema electrónico de un sólido, en este caso, un policristal:se ve obligado a alejarse de un estado de equilibrio durante muy poco tiempo.
"La localización de Wannier-Stark implica cerrar virtualmente algunos de los enlaces químicos temporalmente. Este estado solo se puede mantener durante menos de un picosegundo (una millonésima de una millonésima de segundo) sin destruir la sustancia. Una vez que el campo eléctrico dentro del cristal es suficientemente fuerte, los enlaces químicos hacia el campo se desactivan, convirtiendo el cristal brevemente en un sistema de capas no adheridas. El caos reina. El fenómeno se correlaciona con cambios drásticos en la estructura electrónica del cristal, dando lugar a cambios drásticos en las características ópticas, en particular, alta no linealidad óptica, "explica el profesor de la Universidad de Paderborn, Torsten Meier, quien fue el responsable del análisis teórico de los experimentos. Los efectos no lineales pueden dar lugar a nuevas frecuencias, por ejemplo, sin el cual no sería posible la manipulación selectiva de la luz necesaria para las telecomunicaciones modernas.
El paso de monocristalino a policristalino
El efecto se demostró por primera vez hace tres años utilizando una intensa radiación de terahercios en una estructura cristalina particular, que implica la disposición precisa de la estructura atómica, en un cristal de arseniuro de galio. "Esta disposición precisa era necesaria para que pudiéramos observar la localización inducida por el campo, "explica Meier, quien simuló y describió los experimentos llevados a cabo en la Universidad de Konstanz en 2018. Ahora los físicos han dado un paso más.
"Queríamos investigar si la perovskita policristalina, comúnmente utilizado en células solares y LED, también se puede utilizar como modulador óptico, "dice Heejae Kim, líder de equipo en el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros. Los moduladores ópticos apuntan a las características de la luz para hacerla utilizable de formas adicionales. Entre otras cosas, se utilizan en telecomunicaciones, LCDs, láseres de diodo y procesamiento de materiales. Sin embargo, hasta ahora su fabricación no solo ha sido costosa, pero también casi exclusivamente restringido al campo de los monocristales. Los policristales como la perovskita podrían cambiar eso, siendo utilizados como moduladores asequibles con una amplia gama de aplicaciones en el futuro.
Las simulaciones prueban conjeturas
"A pesar de la orientación aleatoria de los cristalitos individuales, los pequeños bloques de construcción dentro del policristal, pudimos observar resultados claros que corresponden a los característicos de la localización de Wannier-Stark, "continúa Kim. Las simulaciones llevadas a cabo en Paderborn confirmaron más tarde estos hallazgos. Meier explica:"Aunque la muestra es policristalina, parece que los cambios inducidos por el campo en las características ópticas están dominados por una orientación particular entre los cristalitos y el campo eléctrico ".
Más allá de la primera realización de la localización de Wannier-Stark en una sustancia policristalina, hay una cosa que es particularmente digna de mención:la intensidad del campo requerida para observar el efecto es considerablemente menor que en el arseniuro de galio monocristalino. Según Kim, "Este es el resultado de la estructura atómica de la perovskita, es decir, de la coincidencia de una constante de red alta (la distancia entre los átomos) y un espectro estrecho en una orientación de cristal particular. Los planes futuros de los investigadores implican investigar más a fondo este estado extremo de la materia a nivel atómico, investigando sustancias adicionales y examinando nuevas aplicaciones del efecto.
