Wannier-Stark lokalisering opnået i polykrystaller

Forskere fra Paderborn Universitet, Max Planck Institute for Polymer Research og University of Konstanz er lykkedes med at opnå en sjælden kvantetilstand. De er de første, der har påvist Wannier-Stark lokalisering i et polykrystallinsk stof. Forudsagt for omkring 80 år siden, virkningen er først for nylig blevet bevist - i en monokrystal.

Indtil nu, forskere antog, at denne lokalisering kun er mulig i sådanne monokrystallinske stoffer, som er meget komplicerede at fremstille. De nye resultater repræsenterer et gennembrud inden for fysik og kan i fremtiden give anledning til nye optiske modulatorer, for eksempel, der kan bruges i informationsteknologier baseret på lys, blandt andet. Fysikerne har offentliggjort deres resultater i det velrespekterede tekniske tidsskrift, Naturkommunikation .

Stærkere og hurtigere end lynet

Atomerne i en krystal er arrangeret i et tredimensionelt gitter, holdes sammen af ​​kemiske bindinger. Disse obligationer kan, imidlertid, blive opløst af meget stærke elektriske felter, som fortrænger atomer, endda gå så langt som at indføre så meget energi i krystallen, at den ødelægges. Det er, hvad der sker, når lynet slår ned, og materialer bliver flydende, fordampe eller forbrænde, for eksempel. For at demonstrere Wannier-Stark lokalisering, videnskabsmændenes eksperimenter involverede opsætning af elektriske felter på flere millioner volt pr. centimeter, meget stærkere end de felter, der er involveret i lynnedslag. Under denne proces, det elektroniske system af et fast stof - i dette tilfælde, en polykrystal - tvinges langt fra en tilstand af ligevægt i meget kort tid.

"Wannier-Stark lokalisering involverer praktisk talt at lukke nogle af de kemiske bindinger midlertidigt. Denne tilstand kan kun opretholdes i mindre end et picosekund - en milliontedel af en milliontedel af et sekund - uden at ødelægge stoffet. Når først det elektriske felt inde i krystallen er stærk nok, de kemiske bindinger mod feltet deaktiveres, gengiver krystallen kort som et system af ubundne lag. Kaos hersker. Fænomenet korrelerer med drastiske ændringer i krystallens elektroniske struktur, resulterer i markante ændringer i optiske egenskaber, i særdeleshed, høj optisk ikke-linearitet, " forklarer Paderborn Universitets professor Torsten Meier, der stod for den teoretiske analyse af eksperimenterne. Ikke-lineære effekter kan give anledning til nye frekvenser, for eksempel, uden hvilken den målrettede manipulation af lys, der er nødvendig for moderne telekommunikation, ikke ville være mulig.

Overgangen fra monokrystallinsk til polykrystallinsk

Effekten blev først demonstreret for tre år siden ved hjælp af intens terahertz-stråling i en bestemt krystallinsk struktur, involverer det præcise arrangement af atomstrukturen, i en galliumarsenidkrystal. "Dette præcise arrangement var nødvendigt for, at vi kunne observere feltinduceret lokalisering, " forklarer Meier, som simulerede og beskrev de eksperimenter, der blev udført på universitetet i Konstanz i 2018. Nu er fysikerne gået et skridt videre.

"Vi ønskede at undersøge, om polykrystallinsk perovskit, almindeligt anvendt i solceller og LED'er, kan også bruges som optisk modulator, " siger Heejae Kim, teamleder ved Max Planck Institute for Polymer Research. Optiske modulatorer målretter lysets karakteristika for at gøre det brugbart på yderligere måder. Blandt andet, de bruges i telekommunikation, LCD-skærme, diodelasere og materialebehandling. Imidlertid, indtil nu har deres fremstilling ikke kun været dyr, men også næsten udelukkende begrænset til monokrystaller. Polykrystaller som perovskit kunne ændre det, bliver brugt som overkommelige modulatorer med en bred vifte af anvendelser i fremtiden.

Simuleringer beviser formodninger

"På trods af den tilfældige orientering af de enkelte krystallitter, de små byggesten i polykrystallen, vi var i stand til at observere klare resultater, der svarer til dem, der er karakteristiske for Wannier-Stark lokalisering, " fortsætter Kim. Simuleringerne udført i Paderborn bekræftede senere disse resultater. Meier forklarer, "Selvom prøven er polykrystallinsk, det ser ud til, at de felt-inducerede ændringer i de optiske egenskaber er domineret af en særlig orientering mellem krystallitterne og det elektriske felt."

Ud over den første realisering af Wannier-Stark lokalisering i et polykrystallinsk stof, der er én ting, der er særligt værd at bemærke:Intensiteten af ​​det felt, der kræves for at observere virkningen, er betydeligt lavere end i det monokrystallinske galliumarsenid. Ifølge Kim, "Dette er et resultat af den atomare struktur af perovskit, det er, af sammenfaldet af en høj gitterkonstant - afstanden mellem atomerne - og et smalt spektrum i en bestemt krystalorientering. Forskernes fremtidsplaner indebærer at undersøge denne ekstreme tilstand af stof mere fuldstændigt på atomniveau, undersøge yderligere stoffer og undersøge yderligere anvendelser af effekten.