Атомы в кристаллических твердых телах иногда вибрируют в унисон, что приводит к возникновению явлений, известных как фононы. Поскольку эти коллективные вибрации задают темп прохождения 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 коллег нашла способ заставить два разных фонона в тонких пленках перовскита галогенида свинца взаимодействовать со светом настолько сильно, что они сливаются в совершенно новые гибридные состояния вещества. Об этом говорится в исследовании, опубликованном в Nature Communications, может стать новым мощным рычагом для контроля над тем, как перовскитные материалы собирают и транспортируют энергию.

Чтобы получить определенную световую частоту в терагерцовом диапазоне для взаимодействия с фононами в кристаллах галогенидного перовскита, исследователи изготовили наноразмерные слоты, каждая из которых примерно в тысячу раз тоньше листа пищевой пленки, в тонком слое золота. Щели действовали как крошечные металлические ловушки для света, настраивая его частоту на частоту фононов и тем самым порождая сильную форму взаимодействия, известную как «сверхсильная связь».

«Насколько нам известно, это первая демонстрация при комнатной температуре в перовскитной тонкой пленке, где два фонона входят в режим сверхсильной связи с одним сконструированным терагерцовым резонансом», — сказал Дасом Ким, выпускник докторантуры Университета Райса, который является первым автором исследования.

Чтобы настроить эффект, исследователи создали нанослоты семи различных размеров: более длинные слоты улавливали свет более низких частот, в то время как более короткие — более высокие. Цель состояла в том, чтобы точно согласовать ограниченную частоту света с частотами вибрации материала перовскита.

«Мы изготовили массивы наноразмерных слотов с семью немного разной длиной, чтобы настроить один терагерцовый резонанс, и нанесли сверху тонкие пленки перовскита», — сказал Ким. «Проектирование геометрии щели позволило нам сформировать взаимодействие между светом и перовскитными фононами без использования мощных лазерных импульсов или громоздких кристаллов».

Результатом стало появление трех различных гибридных квантовых состояний, известных как фонон-поляритоны, каждое из которых представляет собой новую смесь вибрации и света.

«Коэффициент связи достигал примерно 30% от частоты фононов при комнатной температуре», — сказал Ким.

Возможность создавать такие сильные, экзотические взаимодействия между несколькими квантовыми модами, не прибегая к внешним движущим факторам, открывает двери для новых способов управления потоком энергии в оптоэлектронике.

Экспериментальные результаты были подтверждены численным моделированием и теоретической квантовой моделью, что позволило исследователям рассчитать фактическую силу связи и подтвердить, что две фононные моды действительно работают в режиме сверхсильной связи.

«Достижения в области нанопроизводства и качества перовскитной пленки позволили надежно достичь этого режима», — сказал Ким.

«Это предлагает мягкий, совместимый с устройством способ влиять на процессы, которые имеют значение для сбора света и излучения света, потенциально улучшая производительность и снижая потери энергии», — сказал Дзюнъитиро Коно, профессор инженерии Карла Ф. Хассельмана, профессор электротехники, вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии и автор исследования.

«Что выделяет этот результат, так это то, что мы смогли раскрыть совершенно новое поведение фононов без экстремальных условий, просто тщательно спроектировав наноразмерную среду», — добавил Коно, который также является директором Института Смолли-Керла в Университете Райса.