Geavanceerde opto-elektronica vereist materialen met nieuw ontwikkelde eigenschappen. Voorbeelden hiervan zijn een klasse van materialen genaamd metaalhalogenide perovskieten die een enorme betekenis hebben om perovskiet-zonnecellen te vormen met fotovoltaïsche efficiëntie. Recente ontwikkelingen hebben ook perovskiet-nanokristallen toegepast in lichtemitterende apparaten. De ongewoon efficiënte lichtemissie van cesium-loodhalogenide-perovskiet kan te wijten zijn aan een unieke excitonische fijne structuur gemaakt van drie heldere triplet-toestanden die minimaal interageren met een proximale donkere singlet-toestand. Excitonen zijn elektronische excitaties die verantwoordelijk zijn voor de emitterende eigenschappen van nanogestructureerde halfgeleiders, waar wordt verwacht dat de excitonische toestand met de laagste energie lang zal leven en dus slecht uitzendt (of 'donker').

In een nieuw rapport dat nu gepubliceerd is in wetenschappelijke vooruitgang , Albert Liu en een team van wetenschappers in natuurkunde en scheikunde aan de Universiteit van Michigan, ONS., en Campinas Staatsuniversiteit, Brazilië, gebruikte multidimensionale coherente spectroscopie bij cryogene (ultrakoude) temperaturen de fijnstructuur bestuderen zonder isoleren van het kubusvormige enkele nanokristallen. Het werk onthulde samenhangen (golfeigenschappen ten opzichte van ruimte en tijd) met betrekking tot de triplettoestanden van een cesiumloodjodide (CsPbI ₃ ) nanokristallen ensemble. Op basis van de metingen van triplet- en inter-triplet-coherenties, het team verkreeg een unieke ordening op fijn structuurniveau van excitonen, bestaande uit een donkere toestand, energetisch gepositioneerd binnen het heldere triplet-spruitstuk.

Een ensemble van cesium-loodhalogenide-nanokristallen construeren

In dit werk, Liu et al. geëxtraheerde cruciale cijfers van informatieverwerking om een ​​ensemble van cesium-loodjodide-nanokristallen (CsPbI ₃ ) bij cryogene temperaturen. De eerste synthetische cesium-loodhalogenide-perovskieten werden meer dan een eeuw geleden ontwikkeld met een algemene chemische formule van CsPbX ₃ (waarbij X =chloor-Cl, broom-Br, of Jodium-I) en een recente productie gevormd CsPbX ₃ nanokristallen die de voordelen van perovskieten combineerden met die van colloïdale nanokristalmaterialen. De perovskiet nanokristallen tentoongesteld luminescentie met quantum yield tot bijna eenheid in tegenstelling tot chalcogenide nanokristallen met een helling shell bereiken.

De ongewone helderheid van perovskiet-nanokristallen is afkomstig van een optisch actieve, niet-gedegenereerde triplet-toestand die efficiënt uitzendt ondanks de aanwezigheid van een donkere singlet-toestand. De unieke fijne excitonstructuren van perovskiet-nanokristallen verbeterden het potentieel van colloïdale nanokristallen voor kwantuminformatieverwerkingstoepassingen. Echter, onderzoekers hebben grondige kennis nodig van de coherente dynamiek in perovskiet-nanokristallen om de exciton-superpositietoestanden als informatiedragers te ontwikkelen, die niet goed begrepen werden. Liu et al. gebruikte daarom multidimensionale coherente spectroscopie om de triplettoestand-excitonen te meten en presenteerde bewijs voor een gemengde helder-donkerniveauordening, waardoor de excitonen van de triplettoestand slechts gedeeltelijk helder waren. Het team gebruikte vervolgens perovskiet-nanokristallen als een potentieel materiaalplatform voor kwantumtoepassingen door middel van bottom-up engineeringmethoden.

Drievoudige toestand kwantumpaden en Feynman-diagrammen

Om multidimensionale coherente spectroscopie uit te voeren, het team gebruikte een multidimensionale optische lineaire spectrometer die drie laserpulsen gericht op het perovskiet nanokristal ensemble als functie van de drie verschillende tijdvertragingen (τ, t , en t ). Tijdens de experimenten, de wetenschappers Fourier transformeerden het uitgezonden vier-golf-mengsignaal als een functie van twee of alle drie de tijdvertragingen in een multidimensionaal spectrum. Ze verwezen gewoonlijk naar de resulterende sequenties van interacties tussen licht en materie als kwantumroutes. Het team conceptueel vertegenwoordigde de quantum paden met dubbelzijdig Feynmandiagrammen. De diagrammen bevatten verticaal gerangschikte reeksen dichtheidsmatrixelementen die begonnen met een initiële grondtoestandpopulatie waar de tijd naar boven voortschreed, met veranderingen geïntroduceerd in de dichtheidsmatrix door interacties met elke excitatiepuls. Ze merkten drie soorten kwantumroutes op die werden gedefinieerd als "excited-state emissie" (ESE), "grondtoestand bleekmiddel" (GSB) en "aangeslagen toestand absorptie" (ESA), en tijdens dit werk alleen ESE- en GSB-routes overwogen.

Fourier-transformatie van studies hadden eerder onthulde nieuwe elektronische eigenschappen van verschillende perovskietmaterialen. Om experimenteel verschillende kwantumroutes te onderzoeken, het team koos de polarisatie van de tweede laserpuls in de opstelling om parallel of orthogonaal uit te lijnen met de collineaire polarisatie van de twee andere pulsen. Ze verkregen een enkel-kwantumspectrum bij een temperatuur van 4,6 K met colineaire en cross-lineaire excitatie. De spectra onthulden talrijke pieken die langwerpig waren in de diagonale richting om inhomogene spectrale verbreding weer te geven. Om de piekstructuur voor beide excitatiepolarisatieschema's te verklaren, Liu et al. berekende theoretisch de relatieve pieksterkten voor de variërende dipoolmatrixelementen en vectororiëntaties van elke triplettoestandsovergang en trok belangrijke conclusies uit de berekeningen. Vergeleken met de geïntegreerde vier-golf mengtechnieken, een-quantum spectra was bijzonder nuttig in dit werk.

Terahertz inter-triplet coherenties in nul-kwantum spectra

Liu et al. next toonde veel van de kwantumroutes om zijbanden te genereren ten opzichte van inter-triplet-coherenties, d.w.z., quantumcoherenties tussen triplet toestanden die niet noodzakelijk-dipool gekoppeld. De inter-triplet coherentietijd definieerde de tijdschaal waarbinnen de betrokken superpositietoestanden coherent konden worden gemanipuleerd in de experimentele opstelling, wat van praktisch belang was. Om deze samenhangen direct te meten en te karakteriseren, het team gebruikte nul-kwantumspectra bij verschillende tijdsvertragingen en temperaturen (τ =0 en 20 K). Voor cross-lineaire excitatie, de onderzoekers isoleerden de inter-triplet coherentieroutes door het gemeten vier-golf mengsignaal door een verticale polarisator te leiden om een ​​resulterend kruis-lineair, nul-kwantumspectrum bij 20 K. De inter-triplet-coherenties waren robuust tegen thermische defasering (tot 40 K) en het werk toonde ook de elektronische aard van het vier-golf mengsignaal.

Op deze manier, Albert Liu en collega's maten en karakteriseerden de optische frequentie-triplet-coherenties en inter-triplet-coherenties in perovskietroosters. De resultaten waren significant verschillend van die eerder gerapporteerd voor andere loodhalogenide nanokristallen. Het lijkt erop dat zelfs een kleine verandering in een enkel samenstellend atoom van het perovskietrooster de interacties die de fijne ordening op structureel niveau bepaalden, drastisch zou kunnen veranderen, wat nader onderzoek rechtvaardigt. Het team presenteerde experimenteel en theoretisch bewijs van een excitonbandrand waarvan de emissie gedeeltelijk wordt gedoofd door een tussenliggende donkere toestand om belangrijk inzicht te geven in de excitongrondtoestanden in een verscheidenheid aan perovskiet-nanokristallen met mogelijke toepassingen voor kwantuminformatieverwerking.

© 2021 Science X Network