L'optoélectronique avancée nécessite des matériaux avec des caractéristiques nouvellement conçues. Les exemples incluent une classe de matériaux appelés pérovskites aux halogénures métalliques qui ont une importance considérable pour former des cellules solaires à pérovskite avec des rendements photovoltaïques. Des progrès récents ont également appliqué des nanocristaux de pérovskite dans des dispositifs électroluminescents. L'émission de lumière exceptionnellement efficace de la pérovskite aux halogénures de plomb au césium peut être due à une structure fine excitonique unique composée de trois états triplet brillants qui interagissent de manière minimale avec un état singulet sombre proximal. Les excitons sont des excitations électroniques responsables des propriétés émissives des semi-conducteurs nanostructurés, où l'état excitonique de plus basse énergie devrait avoir une longue durée de vie et donc une faible émission (ou « sombre »).

Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques , Albert Liu et une équipe de scientifiques en physique et chimie de l'Université du Michigan, NOUS., et l'Université d'État de Campinas, Brésil, ont utilisé la spectroscopie cohérente multidimensionnelle à des températures cryogéniques (ultra-froides) pour étudier la structure fine sans isoler les nanocristaux uniques en forme de cube. Les travaux ont révélé des cohérences (propriétés des ondes relatives à l'espace et au temps) impliquant les états triplet d'un iodure de plomb au césium (CsPbI 3 ) ensemble de nanocristaux. A partir des mesures de cohérences triplet et inter-triplet, l'équipe a obtenu un ordre unique de niveau de structure fine d'excitons composé d'un état sombre, énergétiquement positionné dans le collecteur triplet brillant.

Construction d'un ensemble de nanocristaux d'halogénure de plomb au césium

Dans ce travail, Liu et al. extrait des chiffres cruciaux du traitement de l'information pour construire un ensemble de nanocristaux d'iodure de plomb de césium (CsPbI 3 ) à des températures cryogéniques. Les premières pérovskites synthétiques aux halogénures de plomb et de césium ont été développées il y a plus d'un siècle avec une formule chimique générale de CsPbX 3 (où X=chlore—Cl, brome—Br, ou Iode-I) et une production récente formée CsPbX 3 nanocristaux qui combinent les avantages des pérovskites avec ceux des matériaux nanocristaux colloïdaux. Les nanocristaux de pérovskite présentaient une luminescence avec un rendement quantique pour atteindre presque l'unité contrairement aux nanocristaux de chalcogénure avec une coquille à gradient.

La luminosité inhabituelle des nanocristaux de pérovskite provient d'une substance optiquement active, état triplet non dégénéré qui émet efficacement malgré la présence d'un état singulet sombre. Les structures fines uniques d'excitons des nanocristaux de pérovskite ont amélioré le potentiel des nanocristaux colloïdaux pour les applications de traitement de l'information quantique. Cependant, les chercheurs ont besoin d'une connaissance intime de la dynamique cohérente dans les nanocristaux de pérovskite pour concevoir les états de superposition d'excitons en tant que supports d'information, qui n'ont pas été bien compris. Liu et al. donc utilisé la spectroscopie cohérente multidimensionnelle pour mesurer les excitons de l'état triplet et a présenté la preuve d'un ordre mixte de niveaux clair-obscur, ce qui a rendu les excitons de l'état triplet seulement partiellement brillants. L'équipe a ensuite utilisé des nanocristaux de pérovskite comme plate-forme matérielle potentielle pour des applications quantiques grâce à des méthodes d'ingénierie ascendantes.

Voies quantiques à trois états et diagrammes de Feynman

Pour réaliser une spectroscopie cohérente multidimensionnelle, l'équipe a utilisé un spectromètre optique non linéaire multidimensionnel qui a focalisé trois impulsions laser sur l'ensemble de nanocristaux de pérovskite en fonction de trois délais différents (τ, T , et t ). Lors des expérimentations, les scientifiques Fourier ont transformé le signal de mélange à quatre ondes émis en fonction de deux ou des trois délais dans un spectre multidimensionnel. Ils appelaient communément les séquences résultantes d'interactions lumière-matière des voies quantiques. L'équipe a représenté conceptuellement les voies quantiques à l'aide de diagrammes de Feynman recto-verso. Les diagrammes contenaient des séquences disposées verticalement d'éléments de matrice de densité qui commençaient par une population initiale d'états fondamentaux où le temps avançait vers le haut, avec des changements introduits dans la matrice de densité par des interactions avec chaque impulsion d'excitation. Ils ont noté trois types de voies quantiques définies comme « l'émission à l'état excité » (ESE), "blanchiment à l'état fondamental" (GSB) et "absorption à l'état excité" (ESA), et n'a pris en compte que les voies ESE et GSB au cours de ce travail.

Des études de transformation de Fourier avaient précédemment révélé de nouvelles propriétés électroniques de divers matériaux pérovskites. Afin de sonder expérimentalement différentes voies quantiques, l'équipe a choisi la polarisation de la deuxième impulsion laser dans la configuration pour s'aligner parallèlement ou orthogonalement à la polarisation colinéaire des deux autres impulsions. Ils ont obtenu un spectre quantique unique à une température de 4,6 K avec excitation colinéaire et réticulaire. Les spectres ont révélé de nombreux pics allongés dans la direction diagonale pour refléter un élargissement spectral non homogène. Pour expliquer la structure des pics pour les deux schémas de polarisation d'excitation, Liu et al. ont théoriquement calculé les forces de crête relatives pour les divers éléments de matrice dipolaire et les orientations vectorielles de chaque transition d'état de triplet et ont tiré des conclusions importantes des calculs. Par rapport aux techniques de mélange intégrées à quatre ondes, un spectre quantique a été particulièrement utile dans ce travail.

Cohérences inter-triplets térahertz dans les spectres quantiques nuls

Liu et al. a ensuite montré de nombreuses voies quantiques pour générer des bandes latérales relatives aux cohérences inter-triplets, c'est à dire., cohérences quantiques entre états triplés qui ne sont pas nécessairement couplés par dipôle. Le temps de cohérence inter-triplet défini l'échelle de temps dans laquelle les états de superposition impliqués pourraient être manipulés de manière cohérente dans le dispositif expérimental, ce qui était d'une importance pratique. Mesurer et caractériser directement ces cohérences, l'équipe a utilisé des spectres quantiques nuls à des délais et des températures variables (τ =0 et 20 K). Pour l'excitation réticulaire, les chercheurs ont isolé les voies de cohérence inter-triplets en faisant passer le signal de mélange à quatre ondes mesuré à travers un polariseur vertical pour tracer une ligne croisée résultante, spectre quantique nul à 20 K. Les cohérences inter-triplets étaient robustes au déphasage thermique (jusqu'à 40 K) et le travail a également montré la nature électronique du signal de mélange à quatre ondes.

De cette façon, Albert Liu et ses collègues ont mesuré et caractérisé les cohérences de triplet de fréquence optique et les cohérences inter-triplet dans les réseaux pérovskites. Les résultats étaient significativement différents de ceux précédemment rapportés pour d'autres nanocristaux aux halogénures de plomb. Il semble que même un léger changement dans un seul atome constitutif du réseau pérovskite pourrait considérablement modifier les interactions qui ont déterminé l'ordre fin au niveau structurel, ce qui justifie une enquête plus approfondie. L'équipe a présenté expérimentalement et théoriquement des preuves d'un bord de bande d'excitons dont l'émission est partiellement étouffée par un état sombre intermédiaire pour apporter des informations importantes sur les états fondamentaux des excitons dans une variété de nanocristaux de pérovskite avec des applications potentielles pour le traitement de l'information quantique.

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