Физики научились генерировать гиперзвуковые импульсы в перовскитах с помощью света

Сверхбыстрая генерация импульсов деформации. А) Исследуемый монокристалл Cs₂AgBiBr₆. B) Спектры отражения (синий), пропускания (зеленый) и фотолюминесценции (красный) при T = 2 K. C) Схематическое изображение генерации импульса деформации фемтосекундным (fs) оптическим импульсом накачки вдоль направления z′. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw9172

Немецко-французская группа физиков из Дортмундского технического университета, Вюрцбургского университета и Университета Ле-Мана успешно запустила сдвиговые гиперзвуковые импульсы с исключительно большой амплитудой в галогенидных перовскитах с помощью импульсного оптического возбуждения. Открытие опубликовано в журнале Science Advances.

Если ранее материал вызывал большой интерес для фотовольтаики, то новые результаты делают его кандидатом для использования в оптически управляемых устройствах, способных генерировать и детектировать звуковые волны на субтерагерцовых частотах. Это открывает потенциальные применения в электронных, фотонных, магнитных и биомедицинских устройствах.

Звуковые волны в кристаллах

В кристаллах, помимо привычных продольных звуковых волн, могут существовать сдвиговые волны, при которых атомы смещаются поперечно, подобно скольжению карт в колоде. Такие волны предоставляют новый инструмент для исследования внутренней структуры и динамики кристаллических материалов, недоступный для традиционных акустических методов, таких как ультразвук.

Генерация гиперзвука

Генерация сдвиговых звуковых волн является сложной задачей, особенно в сверхбыстрой акустике на субтерагерцовых частотах, необходимых для устройств следующего поколения. Использование ультракоротких фемтосекундных световых импульсов для генерации гиперзвука выделяется как один из наиболее перспективных подходов.

Исследователи выбрали для экспериментов двойной перовскитовый полупроводник Cs₂BiAgBr₆ из-за его выдающихся оптических и структурных свойств. С одной стороны, перовскиты обладают отличными оптическими свойствами, а с другой — ключевой особенностью является их структурные фазовые переходы и сильное электрон-решеточное взаимодействие.

Эксперимент и результаты

Гиперзвуковые волны исследовались с помощью насосно-зондовой спектроскопии Бриллюэна. 100-фемтосекундный лазерный импульс генерировал акустический импульс, а второй импульс зондировал его действие.

Эксперименты выявили четкий импульс сдвиговой деформации, распространяющийся вместе с продольным — явный признак эффективной генерации поперечного гиперзвука. Команда обнаружила, что сильные сдвиговые гиперзвуковые волны появляются только тогда, когда кристалл переходит в тетрагональную фазу, где атомная решетка слегка искажается.

В этой фазе световое возбуждение вызывает необычное анизотропное расширение атомов: кристалл расширяется в одном направлении, одновременно сжимаясь в другом. Важно, что этот эффект имеет нетепловое происхождение: он вызван не нагревом решетки, а направленным давлением фото-генерированных носителей заряда, созданных лазерным импульсом.

Эти результаты знаменуют значительный шаг к точному контролю оптически генерируемого гиперзвука, открывая путь для создания перовскитных оптоакустических устройств следующего поколения, работающих в субтерагерцовом диапазоне частот.

Дополнительная информация: Dmytro O. Horiachyi et al, Efficient launching of shear phonons in photostrictive halide perovskites, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw9172