Forskare har teoretiserat att organometalliska halogenidperovskiter - en klass av ljusskördande "under"-material för tillämpningar i solceller och kvantelektronik - är så lovande på grund av en osynlig men mycket kontroversiell mekanism som kallas Rashba-effekten. Forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har nu experimentellt bevisat förekomsten av effekten i bulkperovskiter, använda korta mikrovågsljus för att både producera och sedan spela in en rytm, mycket som musik, av den kvantkopplade rörelsen av atomer och elektroner i dessa material.

Organometalliska halogenidperovskiter introducerades först i solceller för ungefär ett decennium sedan. Sedan dess, de har studerats intensivt för användning vid ljusskörd, fotonik, och elektroniska transportanordningar, eftersom de levererar mycket eftertraktade optiska och dielektriska egenskaper. De kombinerar den höga energiomvandlingsprestandan hos traditionella oorganiska fotovoltaiska enheter, med de billiga materialkostnaderna och tillverkningsmetoderna för ekologiska versioner.

Forskning har hittills antagit hypotesen att materialens extraordinära elektroniska, magnetiska och optiska egenskaper är relaterade till Rashba-effekten, en mekanism som styr den magnetiska och elektroniska strukturen och laddningsbärarens livslängder. Men trots senaste intensiva studier och debatt, avgörande bevis för Rashba-effekter i bulkorganometallhalogenidperovskiter, används i de mest effektiva perovskite solcellerna, förblev mycket svårfångade.

Ames Laboratory-forskare upptäckte att bevis genom att använda terahertz-ljus, extremt starka och kraftfulla ljusskurar med biljoner cykler per sekund, att slå på eller synkronisera ett "slag" av kvantrörelse inom ett materialprov; och en andra ljusskur för att "lyssna" på takterna, triggar en ultrasnabb mottagare för att spela in bilder av materiens oscillerande tillstånd. Detta tillvägagångssätt övervann begränsningarna hos konventionella detektionsmetoder, som inte hade upplösningen eller känsligheten att fånga bevisen för Rashba-effekten gömd i materialets atomstruktur.

"Vår upptäckt avgör debatten om förekomsten av Rashba-effekter:De finns i bulkmetallhalogenidperovskitmaterial." sa Jigang Wang, senior vetenskapsman vid Ames Laboratory och professor i fysik vid Iowa State University. "Genom att styra kvantrörelser av atomer och elektroner för att konstruera Rashba delade band, vi når ett betydande steg framåt för den grundläggande upptäckten av effekten som hade dolts av slumpmässiga lokala fluktuationer, och öppnar även spännande möjligheter för spintroniska och fotovoltaiska applikationer baserade på kvantkontroll av perovskitmaterial."

Forskningen diskuteras vidare i tidningen, "Ultrasnabb kontroll av Exciton Rashba Fine Structure genom Phonon Coherence i metallhalogenidperovskiten CH3NH3PbI3, " författad av Z. Liu, C. Vaswani, X. Yang, X. Zhao, Y. Yao, Z. Song, D. Cheng, Y. Shi , L. Luo, D.-H. Mudiyasselage, C. Huang, J.-M. Parkera, R.H.J. Kim, J. Zhao, Y. Yan, K.-M. Hej, och J. Wang; och publiceras i Fysiska granskningsbrev .

Wang och hans medarbetare vid Ames Laboratory och Iowa State University Department of Physics and Astronomy var ansvariga för terahertz kvantslagsspektroskopi, modellbyggnad, och densitetsfunktionella teoretiska simuleringar. Högkvalitativa perovskitmaterial tillhandahölls av University of Toledo. Phonon-spektrasimuleringar utfördes vid University of Science and Technology i Kina.