Вчені вперше показали, як керувати енергією у кристалах за допомогою світла

Науковці з Університету Райса спільно з колегами відкрили спосіб поєднувати коливання атомів у кристалах з хвилями світла, створюючи нові гібридні стани матерії. Це досягнення може змінити підхід до керування потоками енергії в сонячних елементах, світлодіодах та інших оптоелектронних пристроях.

Дослідники працювали з тонкими плівками перовськіту на основі свинцевих галогенідів. Вони зуміли змусити два фонони (колективні коливання атомів у кристалі) взаємодіяти зі світлом настільки сильно, що утворилися нові квантові стани — так звані фонон-поляритони. Це стало можливим завдяки явищу «ультрасильного зв’язку».

Для реалізації ефекту у тонкому шарі золота створили нанорозрізи — щілини, у тисячу разів тонші за харчову плівку. Ці структури діяли як пастки для світла, налаштовуючи його частоту на частоту коливань перовськіту. Вчені виготовили сім варіантів слотів різної довжини, щоб точно підібрати частоти. У результаті спостерігалося виникнення трьох гібридних квантових станів. Коефіцієнт зв’язку сягнув приблизно 30% від частоти фонона за кімнатної температури.

На відміну від попередніх підходів, цей метод не потребує екстремальних умов чи потужних лазерів. Завдяки удосконаленим технологіям нанофабрикації та високій якості плівок перовськіту дослідникам вдалося досягти надійного ефекту в лабораторних умовах, сумісних із практичними пристроями.

Результати, підтверджені теоретичним моделюванням і симуляціями, відкривають нові можливості керування квантовими взаємодіями у матеріалах. Це може дозволити у майбутньому зменшити енергетичні втрати та підвищити ефективність сонячних панелей, світлодіодів й інших оптоелектронних технологій.

Дослідження опубліковане у журналі Nature Com­mu­ni­ca­tions.