Forskare från Paderborn University, Max Planck Institute for Polymer Research och University of Konstanz har lyckats uppnå ett sällsynt kvanttillstånd. De är de första som har visat Wannier-Stark lokalisering i en polykristallin substans. Förutspått för cirka 80 år sedan, effekten har bara nyligen bevisats - i en enkristall.

Tills nu, forskare antog att denna lokalisering endast är möjlig i sådana monokristallina ämnen som är mycket komplicerade att framställa. De nya rönen representerar ett genombrott inom fysikområdet och kan i framtiden ge upphov till nya optiska modulatorer, till exempel, som kan användas i informationsteknik baserad på ljus, bland annat. Fysikerna har publicerat sina fynd i den välrenommerade tekniska tidskriften, Naturkommunikation .

Starkare och snabbare än blixten

Atomerna i en kristall är ordnade i ett tredimensionellt rutnät, hålls samman av kemiska bindningar. Dessa bindningar kan, dock, löses upp av mycket starka elektriska fält som förskjuter atomer, går till och med så långt som att introducera så mycket energi i kristallen att den förstörs. Detta är vad som händer när blixten slår ner och materialet blir flytande, förånga eller förbränna, till exempel. För att demonstrera Wannier-Starks lokalisering, forskarnas experiment involverade att skapa elektriska fält på flera miljoner volt per centimeter, mycket starkare än fälten som är involverade i blixtnedslag. Under denna process, det elektroniska systemet för ett fast ämne – i det här fallet, en polykristall - tvingas långt från ett jämviktstillstånd under en mycket kort tid.

"Wannier-Stark-lokalisering innebär praktiskt taget att stänga av några av de kemiska bindningarna tillfälligt. Detta tillstånd kan bara bibehållas under mindre än en pikosekund - en miljondels miljondels sekund - utan att förstöra ämnet. När det elektriska fältet inuti kristallen är stark nog, de kemiska bindningarna mot fältet deaktiveras, återger kristallen kort som ett system av obundna skikt. Kaos råder. Fenomenet korrelerar med drastiska förändringar i kristallens elektroniska struktur, vilket resulterar i kraftiga förändringar av optiska egenskaper, särskilt, hög optisk olinjäritet, " förklarar Paderborns universitets professor Torsten Meier, som ansvarade för den teoretiska analysen av experimenten. Icke-linjära effekter kan ge upphov till nya frekvenser, till exempel, utan vilken den riktade manipulationen av ljus som behövs för modern telekommunikation inte skulle vara möjlig.

Övergången från monokristallint till polykristallint

Effekten visades först för tre år sedan med intensiv terahertzstrålning i en speciell kristallin struktur, involverar det exakta arrangemanget av atomstrukturen, i en galliumarsenidkristall. "Detta exakta arrangemang var nödvändigt för att vi skulle kunna observera fältinducerad lokalisering, " förklarar Meier, som simulerade och beskrev experimenten som genomfördes vid universitetet i Konstanz 2018. Nu har fysikerna gått ett steg längre.

"Vi ville undersöka om polykristallin perovskit, används ofta i solceller och lysdioder, kan också användas som en optisk modulator, " säger Heejae Kim, teamledare vid Max Planck Institute for Polymer Research. Optiska modulatorer riktar sig mot ljusets egenskaper för att göra det användbart på ytterligare sätt. Bland annat, de används inom telekommunikation, LCD-skärmar, diodlasrar och materialbearbetning. Dock, Fram till nu har deras tillverkning inte bara varit kostsam, men också nästan enbart begränsad till monokristallernas område. Polykristaller som perovskit kan förändra det, kommer att användas som prisvärda modulatorer med ett brett spektrum av tillämpningar i framtiden.

Simuleringar bevisar gissningar

"Trots den slumpmässiga orienteringen av de individuella kristalliterna, de små byggstenarna i polykristallen, vi kunde observera tydliga resultat som motsvarar de som är karakteristiska för Wannier-Stark lokalisering, " fortsätter Kim. Simuleringarna som utfördes i Paderborn bekräftade senare dessa fynd. Meier förklarar, "Även om provet är polykristallint, det verkar som om de fältinducerade förändringarna i de optiska egenskaperna domineras av en speciell orientering mellan kristalliterna och det elektriska fältet."

Utöver den första realiseringen av Wannier-Stark lokalisering i en polykristallin substans, det finns en sak som är särskilt värd att notera:intensiteten i fältet som krävs för att observera effekten är avsevärt lägre än i den monokristallina galliumarseniden. Enligt Kim, "Detta är ett resultat av perovskitens atomära struktur, det är, av sammanträffandet av en hög gitterkonstant – avståndet mellan atomerna – och ett smalt spektrum i en speciell kristallorientering. Forskarnas framtidsplaner innebär att mer fullständigt undersöka detta extrema tillstånd av materia på atomnivå, forska om ytterligare ämnen och undersöka ytterligare tillämpningar av effekten.