Исследователи из Университета Райса создают гибридные фонон-поляритоны в пленках перовскита для улучшения оптоэлектроники.
Исследование открывает новые способы управления потоками энергии в оптоэлектронике.
Университет Райса
Ученые нашли способ заставить атомы буквально танцевать со светом.
В некоторых кристаллах вибрации, называемые фононами, теперь могут сливаться со световыми волнами, образуя совершенно новые гибридные состояния вещества. Это открытие может изменить способ передачи энергии в таких устройствах, как солнечные элементы и светодиоды.
Группа ученых из Университета Райса и их коллеги обнаружили способ заставить два фонона в тонких пленках перовскита галогенида свинца взаимодействовать со светом настолько сильно, что они образуют совершенно новые гибридные состояния вещества.
Чтобы вызвать этот эффект, исследователи использовали наноразмерные щели в тонком слое золота, каждая из которых примерно в тысячу раз тоньше листа пищевой плёнки. Эти щели действовали как крошечные металлические ловушки для света, настраивая его на частоту фононов. Это сильное взаимодействие называется «сверхсильной связью».
«Это первая демонстрация при комнатной температуре в тонкой пленке перовскита, где два фонона входят в режим сверхсильной связи с одним сконструированным терагерцовым резонансом», — сказал Дасом Ким, выпускник докторской программы Университета Райса и первый автор исследования.
Точная настройка света
Команда изготовила щели семи разных размеров. Более длинные щели улавливали низкочастотный свет, а более короткие — высокочастотный. Идея заключалась в том, чтобы согласовать частоту света с вибрациями перовскита.
«Мы изготовили массивы наноразмерных щелей с семью слегка различающимися длинами для настройки одного терагерцового резонанса и нанесли поверх них тонкие пленки перовскита», — сказал Ким.
«Проектирование геометрии щели позволило нам формировать взаимодействие света с фононами перовскита без использования мощных лазерных импульсов или громоздких кристаллов».
Результатом стало появление трех различных гибридных квантовых состояний, известных как фонон-поляритоны, — новых смесей вибрации и света.
«Коэффициент связи достигал примерно 30% от частоты фонона при комнатной температуре», — добавил Ким.
Управление потоком энергии
Этот прорыв позволяет учёным управлять переносом энергии в оптоэлектронных материалах щадящим и совместимым с устройствами способом. В отличие от предыдущих подходов, он не требует экстремальных условий или использования мощных лазеров.
«Достижения в области нанотехнологий и повышения качества перовскитных пленок позволили надежно достичь этого режима», — сказал Ким.
Дзюнъитиро Коно, автор-корреспондент и директор Института Смолли-Керла в Райсе, сказал: «Это предлагает щадящий, совместимый с устройствами способ воздействия на процессы, которые важны для сбора и испускания света, потенциально повышая производительность и сокращая потери энергии».
«Что делает этот результат выдающимся, так это то, что нам удалось обнаружить совершенно новое поведение фононов без экстремальных условий, просто тщательно спроектировав наномасштабную среду», — добавил Коно.
Численное моделирование и теоретическая квантовая модель подтвердили экспериментальные результаты, подтвердив, что две фононные моды действительно находятся в режиме сверхсильной связи.
Исследование открывает новые возможности для настройки квантовых взаимодействий в материалах, что в конечном итоге может улучшить солнечные элементы, светодиоды и другие оптоэлектронные устройства за счет управления движением энергии на микроскопическом уровне.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
