Ученым из Института исследований полимеров Макса Планка, Падерборнского университета и Констанцского университета удалось достичь редкого квантового состояния: они впервые продемонстрировали локализацию Ванье-Штарка в поликристаллическом веществе. Предсказанный около 80 лет назад эффект ранее был доказан только в монокристаллах.

Атомы кристалла расположены в трехмерной сетке, скрепленной химическими связями. Эти связи могут быть разрушены очень сильными электрическими полями, которые смещают атомы. Например, подобный эффект можно наблюдать при ударе молнии, когда материалы разжижаются, испаряются или воспламеняются. Чтобы продемонстрировать локализацию Ванье-Штарка, ученые для своих экспериментов создали электрические поля в несколько миллионов вольт на сантиметр — это намного сильнее полей, возникающих при ударах молнии.

В ходе этого процесса электронная система твердого тела — в данном случае поликристалла — на очень короткое время отдаляется от состояния «равновесия».

«Локализация Ванье-Штарка включает в себя временное отключение некоторых химических связей. Это состояние может поддерживаться менее пикосекунды — одной миллионной от одной миллионной доли секунды — без разрушения вещества. Как только электрическое поле внутри кристалла становится достаточно сильным, химические связи, направленные к полю, деактивируются, в результате чего кристалл на короткое время превращается в систему несвязанных слоев. Можно сказать, что воцаряется хаос. Это явление коррелирует с резкими изменениями электронной структуры кристалла, что приводит к резким изменениям оптических характеристик, в частности, к высокой оптической нелинейности», — объяснил профессор Падерборнского университета Торстен Мейер, отвечавший за теоретический анализ экспериментов.

Нелинейные эффекты могут привести к возникновению новых частот — например таких, без которых было бы невозможно целенаправленное управление светом, необходимое для современных телекоммуникаций.

Этот эффект был впервые продемонстрирован в 2018 году с использованием интенсивного терагерцового излучения в определенной кристаллической структуре, предполагающей точное расположение атомов в кристалле арсенида галлия.

«Такое точное расположение было необходимо для того, чтобы мы могли наблюдать локализацию, индуцированную полем», — рассказал Мейер.

Теперь физики сделали еще один шаг вперед.

«Мы хотели выяснить, можно ли использовать поликристаллический перовскит, обычно используемый в солнечных элементах и светодиодах, в качестве оптического модулятора», — прокомментировал задумку исследования Хиджэ Ким, руководитель группы в Институте исследований полимеров имени Макса Планка.

Оптические модуляторы используются в телекоммуникациях, ЖК-дисплеях, диодных лазерах и обработке материалов. Однако до сих пор их производство было не только дорогостоящим, но и ограничивалось почти исключительно областью монокристаллов. Поликристаллы, такие как перовскит, могут изменить ситуацию, поскольку в будущем их можно будет использовать в качестве доступных модуляторов с широким спектром применения.

«Несмотря на случайную ориентацию отдельных кристаллитов — небольших “строительных блоков” внутри поликристалла — мы смогли наблюдать четкие результаты, соответствующие характеристикам локализации Ванье-Штарка», — отметил Ким.

Моделирование, проведенное в Падерборне, позже подтвердило эти выводы. В будущие планы исследователей входят более полное изучение этого экстремального состояния материи на атомном уровне, исследование дополнительных веществ и дальнейших применений этого эффекта.