Группа профессора Хэ Цзюня и доцента Ван Инвэя из Центрально-Южного университета обнаружила необычный оптический эффект в перовските CsPbBr₃. Оказалось, что этот материал может поглощать свет даже при энергиях фотонов ниже границы его собственной запрещенной зоны — на целых 60 мэВ. Обычно полупроводники так не умеют: если фотону не хватает энергии, он просто пролетает насквозь. Но здесь — сюрприз.

Ученые использовали фемтосекундную Z-сканирующую технику и увидели, что при определенных условиях пленка CsPbBr₃ начинает «насыщаться» — пропускать больше света, хотя по всем законам физики должна его блокировать. Разгадка кроется в поляронах — квазичастицах, которые возникают из-за колебаний кристаллической решетки. Эти колебания создают локальные энергетические „ямы“, и фотонам с чуть меньшей энергией удается „перепрыгнуть“ запрещенную зону.

Полярон — это электрон, который таскает за собой «шлейф» деформированной кристаллической решетки. Представьте, что вы бежите по матрасу: пружины под вами сжимаются, и вам становится тяжелее двигаться. Так и электрон в перовските — из-за искажений решетки его эффективная масса растет, а энергия меняется.

Результаты опубликованы в издании Opto-Electronic Advances.

Подтверждений несколько:

• Фотолюминесценция показывает антистоксов сдвиг на 70 мэВ — значит, энергия все-таки забирается у решетки.
• Временные спектры поглощения демонстрируют медленное (0.6 пс) заполнение экситонных состояний — это и есть работа поляронов.
• В другом перовските, Cs₄PbBr₆, где решетка еще «мягче», эффект усиливается.

Открытие не просто интересно теоретически — оно открывает дорогу к новым оптоэлектронным устройствам. Например, можно сделать сверхчувствительные оптические переключатели или модуляторы, работающие в широком диапазоне длин волн. А если поиграть с составом и структурой перовскитов, поляронные эффекты получится усилить еще больше.

Исследование может пригодиться в трех областях:

1. Оптические коммуникации — если научиться управлять поляронными состояниями, можно создавать сверхбыстрые модуляторы для передачи данных.
2. Солнечная энергетика — перовскиты уже используют в фотоэлементах, а их способность «собирать» низкоэнергетические фотоны повысит КПД.
3. Квантовые технологии — поляроны могут стать посредниками в кубитах, стабилизируя их состояния за счет связи с решеткой.

Авторы не до конца изучили долговременную стабильность эффекта. Перовскиты известны деградацией под нагрузкой — если поляронные состояния «рассасываются» после 1000 циклов, практическое применение окажется под вопросом.

Ранее ученые заявили, что перовскиты заменят кремний в солнечных панелях.