Osservare gli elettroni al lavoro

Molti problemi scientifici e tecnici potrebbero essere facilmente risolti se fosse possibile guardare all'interno di un materiale e osservare gli atomi e gli elettroni che oscillano avanti e indietro. Nel caso delle perovskiti alogenuri, un tipo di minerale diventato popolare negli ultimi anni per applicazioni in varie tecnologie, dalle celle solari alle tecnologie quantistiche, la fisica cerca da tempo di capire le loro eccezionali proprietà ottiche. Un gruppo di ricerca guidato da Nuri Yazdani e Vanessa Wood dell'ETH di Zurigo e da Aaron Lindenberg di Stanford, insieme ai colleghi dell'Empa di Dübendorf, ha ora dato un contributo significativo alla comprensione delle perovskiti: I ricercatori hanno studiato i movimenti degli atomi nei nanocristalli con una risoluzione temporale di qualche miliardesimo di secondo. I risultati sono stati pubblicati di recente sulla rivista Nature Physics.

"Le perovskiti alogenuri sono ottime per molte applicazioni nell'optoelettronica", afferma Yazdani, "ma è sorprendente in un certo senso che questa classe di materiali possa avere proprietà ottiche ed elettroniche così eccellenti". Le pervoskiti sono minerali che hanno lo stesso tipo di struttura cristallina della perovskite "originale" titanato di calcio (CaTiO₃). Era già noto che gli elettroni, eccitati a energie più elevate quando le perovskiti assorbono la luce, si accoppiano fortemente ai fononi del materiale. I fononi, come le onde sonore, sono vibrazioni collettive degli atomi in un cristallo.

"Spesso si può considerare rigida la posizione centrale di ogni atomo in un cristallo, ma questo non è più possibile se l'eccitazione ottica di un elettrone porta a una riorganizzazione estesa del reticolo cristallino", spiega Yazdani. La domanda a cui i ricercatori dovevano rispondere era quindi: in che modo gli elettroni eccitati nelle perovskiti cambiano la forma del reticolo cristallino?

Uno sguardo all'interno dei nanocristalli

Per dare un'occhiata all'interno di una perovskite (bromuro di piombo formamidinio) sintetizzata all'Empa da Maryna Bonarchuk e dal professore dell'ETH Maksym Kovalenka, i ricercatori hanno utilizzato la linea di fascio di diffrazione elettronica ultraveloce dello Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC), che produce impulsi di elettroni molto brevi della durata di poche centinaia di femtosecondi (milionesimi di milionesimo di secondo). Questi elettroni colpiscono poi i nanocristalli di perovskite, che hanno una dimensione di soli 10 nanometri, e gli elettroni diffratti vengono raccolti su uno schermo. Poiché gli elettroni sono particelle quantistiche che si comportano come onde, dopo la diffrazione si sovrappongono agli atomi del materiale in modo costruttivo o distruttivo, a seconda della posizione degli atomi e della direzione della diffrazione - in modo molto simile alla luce che ha attraversato una doppia fenditura. In questo modo è possibile misurare anche minuscoli cambiamenti nella struttura cristallina.

I ricercatori dell'ETH hanno utilizzato una speciale caratteristica della linea di fascio di SLAC per scattare istantanee della struttura del cristallo durante e dopo l'assorbimento di un fotone: Utilizzando lo stesso laser per emettere i fotoni e per innescare l'impulso di elettroni, sono stati in grado di controllare il tempo di arrivo relativo dei fotoni e degli elettroni ai nanocristalli modificando la distanza percorsa dai fotoni. Analizzando queste istantanee su diverse centinaia di picosecondi (miliardesimi di secondo), è stato possibile vedere come la deformazione del reticolo cristallino causata dagli elettroni eccitati si sia sviluppata nel tempo.

Una simmetria sorprendentemente maggiore

I risultati hanno sorpreso i ricercatori. Si aspettavano che la deformazione del reticolo cristallino avrebbe portato a una riduzione della sua simmetria. Invece, hanno osservato una leggera più grande Simmetria - gli elettroni eccitati avevano quindi raddrizzato leggermente la struttura cristallina storta della perovskite. Dai calcoli del modello, si è potuto concludere che diversi eccitoni - coppie legate di elettroni eccitati e buche cariche positivamente che rimangono dopo l'eccitazione - sono stati in grado di raddrizzare insieme il reticolo. Poiché questo riduce la loro energia totale, gli eccitoni si sono attratti a vicenda.

Proprietà ottiche personalizzate per le perovskiti

"Comprendere l'origine dell'accoppiamento elettrone-fonone renderà più facile, in futuro, produrre perovskiti con proprietà ottiche specifiche, adatte alle singole applicazioni", afferma Yazdani. Ad esempio, i nanocristalli di perovskite utilizzati nella prossima generazione di televisori possono essere rivestiti con un guscio fatto di un materiale diverso per ridurre l'accoppiamento elettrone-fonone e quindi la larghezza di riga spettrale della luce emessa. Questo è stato già dimostrato nel 2022 da alcuni dei coautori dell'articolo di Nature Physics. Poiché l'interazione attrattiva tra gli elettroni è simile al meccanismo che consente il flusso di corrente senza perdite nei superconduttori, questa attrazione potrebbe essere sfruttata anche per migliorare il trasporto degli elettroni. Questo, a sua volta, potrebbe essere utile per la produzione di celle solari a base di perovskite.