Os slots em nanoescala permitem estados híbridos à sala de matéria em perovskita

Os átomos em sólidos cristalinos às vezes vibram em uníssono, dando origem a fenômenos emergentes conhecidos como fônons. Como essas vibrações coletivas estabelecem o ritmo de como o calor e a energia se movem através dos materiais, elas desempenham um papel central em dispositivos que capturam ou emitem luz, como células solares e LEDs.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Rice e colaboradores encontrou uma maneira de fazer dois fônons diferentes em filmes finos de perovskita de halogeneto de chumbo interagem com a luz com tanta força que se fundem em estados híbridos de matéria inteiramente novos. A descoberta, relatada em um estudo publicado em Comunicações da naturezapoderia fornecer uma nova e poderosa alavanca para controlar como os materiais perovskitas colhem e a energia de transporte.

Para obter uma frequência de luz específica na faixa de Terahertz para interagir com os fônons nos cristais de perovskita de halogia, os pesquisadores fabricaram slots em nanoescala – cada uma com mais de mil vezes mais fino do que uma folha de embrulho se apegando – em uma fina camada de ouro. Os slots agiram como pequenas armadilhas metálicas para a luz, ajustando sua frequência à dos fônons e, assim, dando origem a uma forte forma de interação conhecida como “acoplamento ultraltrong”.

“Até onde sabemos, esta é a primeira demonstração de temperatura ambiente em um filme fino de perovskita, onde dois fônons entram no regime de acoplamento de ultratrang com uma única ressonância de terahertz de engenharia”, disse Dasom Kim, um aluno de doutorado em arroz que é o primeiro autor do estudo.

Para ajustar o efeito, os pesquisadores fizeram nanosslots de sete tamanhos diferentes: slots mais longos capturados luzes de menor frequência, enquanto os mais curtos prenderam frequências mais altas. O objetivo era corresponder com precisão a frequência de luz confinada às frequências de vibração do material de perovskita.

“Fabricamos matrizes de slots em nanoescala com sete comprimentos ligeiramente diferentes para ajustar uma única ressonância terahertz e depositar filmes finos de perovskita no topo”, disse Kim. “Projetar a geometria do slot nos permitiu moldar a interação entre a luz e os fônons de perovskita sem usar pulsos a laser de alta potência ou cristais volumosos”.

A recompensa foi a aparência de três estados quânticos híbridos distintos conhecidos como polaritons fononos, cada um uma nova mistura de vibração e luz.

“A taxa de acoplamento atingiu aproximadamente 30% da frequência do fônon à temperatura ambiente”, disse Kim.

A capacidade de encenar interações tão fortes e exóticas entre vários modos quânticos sem recorrer a fatores determinantes externos abre a porta para novas maneiras de direcionar o fluxo de energia na optoeletrônica.

Os resultados experimentais foram validados por simulações numéricas e um modelo quântico teórico, que permitiu aos pesquisadores calcular as forças reais de acoplamento e confirmar que os dois modos fononos estavam de fato operando no regime de acoplamento de ultratrang.

“Os avanços na nanofabricação e na qualidade do filme perovskita tornaram possível alcançar esse regime de maneira confiável”, disse Kim.

“Isso oferece uma maneira suave e compatível com dispositivos de influenciar os processos que importam para a colheita de luz e a emissão de luz, potencialmente melhorando o desempenho e reduzindo as perdas de energia”, disse Junichiro Kono, o professor de engenharia de engenharia e engenharia elétrica e materiais e ciência de materiais e nanoengenharia e autores de correspondência.

“O que faz esse resultado se destacar é que fomos capazes de descobrir o comportamento totalmente novo fonon sem condições extremas apenas projetando cuidadosamente o ambiente em nanoescala”, acrescentou Kono, que também atua como diretor do Instituto Smalley-Curl em Rice.