Wetenschappers hebben getheoretiseerd dat organometaalhalogenide-perovskieten - een klasse van 'wonder'-materialen voor het oogsten van licht voor toepassingen in zonnecellen en kwantumelektronica - zo veelbelovend zijn vanwege een ongezien maar zeer controversieel mechanisme dat het Rashba-effect wordt genoemd. Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben nu experimenteel het bestaan ​​van het effect in bulkperovskieten bewezen, het gebruik van korte microgolfuitbarstingen van licht om zowel een ritme te produceren als op te nemen, net als muziek, van de kwantumgekoppelde beweging van atomen en elektronen in deze materialen.

Organometaalhalogenide perovskieten werden ongeveer tien jaar geleden voor het eerst geïntroduceerd in zonnecellen. Vanaf dat moment, ze zijn intensief bestudeerd voor gebruik bij het oogsten van licht, fotonica, en elektronische transportmiddelen, omdat ze zeer gewilde optische en diëlektrische eigenschappen leveren. Ze combineren de hoge energieconversieprestaties van traditionele anorganische fotovoltaïsche apparaten, met de goedkope materiaalkosten en fabricagemethoden van biologische versies.

Onderzoek tot dusver veronderstelde dat de buitengewone elektronische, magnetische en optische eigenschappen zijn gerelateerd aan het Rashba-effect, een mechanisme dat de magnetische en elektronische structuur en de levensduur van de ladingsdrager regelt. Maar ondanks recente intensieve studie en debat, overtuigend bewijs van Rashba-effecten in organometaalhalogenide-perovskieten in bulk, gebruikt in de meest efficiënte perovskiet-zonnecellen, bleef zeer ongrijpbaar.

Ames Laboratory-wetenschappers ontdekten dat bewijs door gebruik te maken van terahertz-licht, extreem sterke en krachtige lichtflitsen met biljoenen cycli per seconde, om een ​​"beat" van kwantumbeweging in een materiaalmonster in te schakelen of te synchroniseren; en een tweede lichtflits om naar de beats te "luisteren", het triggeren van een ultrasnelle ontvanger om beelden van de oscillerende toestand van materie op te nemen. Deze aanpak overwon de beperkingen van conventionele detectiemethoden, die niet de resolutie of gevoeligheid hadden om het bewijs van het Rashba-effect te vangen dat verborgen was in de atomaire structuur van het materiaal.

"Onze ontdekking beslecht het debat over de aanwezigheid van Rashba-effecten:ze komen voor in bulkmetaalhalogenide-perovskietmaterialen." zei Jigang Wang, senior wetenschapper bij Ames Laboratory en hoogleraar natuurkunde aan de Iowa State University. "Door kwantumbewegingen van atomen en elektronen te sturen om Rashba-splitbanden te ontwerpen, we bereiken een belangrijke sprong voorwaarts voor de fundamentele ontdekking van het effect dat verborgen was door willekeurige lokale fluctuaties, en openen ook spannende mogelijkheden voor spintronische en fotovoltaïsche toepassingen op basis van kwantumcontrole van perovskietmaterialen."

Het onderzoek wordt verder besproken in de paper, "Ultrasnelle controle van Excitonic Rashba Fine Structure door Phonon Coherence in de metaalhalogenide perovskiet CH3NH3PbI3, " geschreven door Z. Liu, C. Vaswani, X. Yang, X. Zhao, Y. Yao, Z. Lied, D. Cheng, Y.Shi, L. Luo, D.-H. Mudiyanselage, C. Huang, J.-M. Park, R.H.J. Kim, J. Zhao, Y. Yan, K.-M. hoi, en J. Wang; en gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Wang en zijn medewerkers bij Ames Laboratory en Iowa State University Department of Physics and Astronomy waren verantwoordelijk voor terahertz quantum beat spectroscopie, Model gebouw, en dichtheidsfunctionele theoretische simulaties. Perovskietmaterialen van hoge kwaliteit werden geleverd door de Universiteit van Toledo. Phonon-spectra-simulaties werden uitgevoerd aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China.