Les scientifiques ont émis l'hypothèse que les pérovskites aux halogénures organométalliques - une classe de matériaux "merveilles" de récolte de lumière pour des applications dans les cellules solaires et l'électronique quantique - sont si prometteuses en raison d'un mécanisme invisible mais très controversé appelé effet Rashba. Les scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie ont maintenant prouvé expérimentalement l'existence de l'effet dans les pérovskites en vrac, en utilisant de courtes rafales de lumière micro-ondes à la fois pour produire puis enregistrer un rythme, un peu comme la musique, du mouvement couplé quantique des atomes et des électrons dans ces matériaux.

Les pérovskites aux halogénures organométalliques ont été introduites pour la première fois dans les cellules solaires il y a environ une décennie. Depuis, ils ont été étudiés intensément pour une utilisation dans la récolte de la lumière, photonique, et appareils électroniques de transport, car ils offrent des propriétés optiques et diélectriques très recherchées. Ils combinent les hautes performances de conversion énergétique des dispositifs photovoltaïques inorganiques traditionnels, avec les coûts de matériaux peu coûteux et les méthodes de fabrication des versions organiques.

Jusqu'à présent, les recherches ont émis l'hypothèse que l'extraordinaire électronique des matériaux, les propriétés magnétiques et optiques sont liées à l'effet Rashba, un mécanisme qui contrôle la structure magnétique et électronique et la durée de vie des porteurs de charge. Mais malgré une étude et un débat intenses récents, preuves concluantes des effets Rashba dans les pérovskites aux halogénures organométalliques en vrac, utilisé dans les cellules solaires à pérovskite les plus efficaces, resté très insaisissable.

Les scientifiques du laboratoire Ames ont découvert cette preuve en utilisant la lumière térahertz, des éclats de lumière extrêmement puissants et puissants tirant à des billions de cycles par seconde, activer ou synchroniser un « battement » de mouvement quantique dans un échantillon de matériau ; et un deuxième éclat de lumière pour "écouter" les beats, déclencher un récepteur ultrarapide pour enregistrer des images de l'état oscillant de la matière. Cette approche a dépassé les limites des méthodes de détection conventionnelles, qui n'avait pas la résolution ou la sensibilité pour capturer la preuve de l'effet Rashba caché dans la structure atomique du matériau.

"Notre découverte règle le débat sur la présence d'effets Rashba :ils existent dans les matériaux de pérovskite aux halogénures métalliques en vrac." dit Jigang Wang, scientifique principal au laboratoire Ames et professeur de physique à l'Iowa State University. "En dirigeant les mouvements quantiques des atomes et des électrons pour créer des bandes divisées de Rashba, nous réalisons un bond en avant significatif pour la découverte fondamentale de l'effet qui avait été caché par des fluctuations locales aléatoires, et ouvrent également des opportunités intéressantes pour les applications spintroniques et photovoltaïques basées sur le contrôle quantique des matériaux pérovskites. »

La recherche est discutée plus en détail dans le document, "Contrôle ultrarapide de la structure fine excitonique de Rashba par cohérence phononique dans la pérovskite aux halogénures métalliques CH3NH3PbI3, " écrit par Z. Liu, C. Vaswani, X. Yang, X. Zhao, Y. Yao, Z. Chanson, D. Cheng, Y. Shi, L. Luo, D.-H. Mudiyanselage, C. Huang, J.-M. Se garer, R.H.J. Kim, J. Zhao, Y. Yan, K.-M. Ho, et J. Wang; et publié dans Lettres d'examen physique .

Wang et ses collaborateurs du laboratoire Ames et du département de physique et d'astronomie de l'Iowa State University étaient responsables de la spectroscopie des battements quantiques térahertz, construction de maquettes, et simulations théoriques fonctionnelles de densité. Des matériaux de pérovskite de haute qualité ont été fournis par l'Université de Tolède. Des simulations de spectres de phonons ont été réalisées à l'Université des sciences et technologies de Chine.