Наноструктуры позволили создать гибридные состояния материи в перовските при комнатной температуре

Гибридная система перовскит–нанослот в режиме сверхсильной связи. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63810-7

Атомы в кристаллических твёрдых телах иногда вибрируют синхронно, порождая коллективные колебания, известные как фононы. Поскольку эти коллективные колебания определяют, как тепло и энергия перемещаются через материалы, они играют центральную роль в устройствах, которые улавливают или излучают свет, таких как солнечные элементы и светодиоды.

Команда исследователей из Университета Райса и их коллеги обнаружили способ заставить два разных фонона в тонких плёнках галогенидного перовскита свинца так сильно взаимодействовать со светом, что они сливаются в совершенно новые гибридные состояния материи. Это открытие, о котором сообщается в исследовании, опубликованном в Nature Communications, может предоставить мощный новый инструмент для контроля того, как перовскитные материалы собирают и транспортируют энергию.

Чтобы заставить свет определённой частоты в терагерцовом диапазоне взаимодействовать с фононами в кристаллах галогенидного перовскита, исследователи создали наноразмерные щели — каждая примерно в тысячу раз тоньше пищевой плёнки — в тонком слое золота. Эти щели действовали как крошечные металлические ловушки для света, настраивая его частоту на частоту фононов и порождая таким образом сильную форму взаимодействия, известную как «сверхсильная связь».

«Насколько нам известно, это первая демонстрация при комнатной температуре в тонкой плёнке перовскита, где два фонона входят в режим сверхсильной связи с единственной инженерной терагерцовой резонансной частотой», — сказала Дасом Ким, выпускница докторантуры Райса и первый автор исследования.

Для настройки эффекта исследователи изготовили нанослоты семи различных размеров: более длинные щели захватывали свет с более низкой частотой, а более короткие — с более высокими частотами. Цель состояла в том, чтобы точно сопоставить частоту захваченного света с частотами вибрации перовскитного материала.

«Мы изготовили массивы наноразмерных щелей с семью немного разными длинами, чтобы настроить единственный терагерцовый резонанс, и осадили поверх них тонкие плёнки перовскита», — пояснила Ким. «Проектирование геометрии щели позволило нам формировать взаимодействие между светом и фононами перовскита без использования мощных лазерных импульсов или громоздких кристаллов».

Результатом стало появление трёх различных гибридных квантовых состояний, известных как фонон-поляритоны, каждое из которых представляет собой новую смесь вибрации и света.

«Коэффициент связи достиг примерно 30% от частоты фонона при комнатной температуре», — отметила Ким.

Дасом Ким. Автор: Хорхе Видал/Университет Райса

Возможность создавать такие сильные, экзотические взаимодействия между множественными квантовыми модами без привлечения внешних управляющих факторов открывает двери для новых способов управления потоком энергии в оптоэлектронике.

Экспериментальные результаты были подтверждены численным моделированием и теоретической квантовой моделью, что позволило исследователям рассчитать фактические силы связи и подтвердить, что две фононные моды действительно работали в режиме сверхсильной связи.

«Достижения в области нанофабрикации и качества перовскитных плёнок сделали возможным надёжное достижение этого режима», — добавила Ким.

«Это предлагает мягкий, совместимый с устройствами способ влиять на процессы, важные для улавливания света и его излучения, потенциально улучшая производительность и снижая потери энергии», — сказал Дзюнитиро Коно, профессор инженерии имени Карла Ф. Хасссельмана, профессор электротехники, вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии, а также автор-корреспондент исследования.

«Что выделяет этот результат, так это то, что нам удалось раскрыть совершенно новое поведение фононов без экстремальных условий, просто тщательно спроектировав наномасштабную среду», — добавил Коно, который также является директором Института Смолли-Кёрла в Райсе.

Больше информации: Multimode phonon-polaritons in lead-halide perovskites in the ultrastrong coupling regime, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63810-7. www.nature.com/articles/s41467-025-63810-7

Источник: Rice University