如果我们有能力实时观察材料内原子和电子的运动，许多科学和技术挑战就可以毫不费力地得到解决。对于卤化物钙钛矿，一组越来越多地用于太阳能电池和量子器件等各种技术的矿物，物理学家一直在努力理解它们非凡的光学特性。
由苏黎世联邦理工学院的Nuri Yazdani和Vanessa Wood以及斯坦福大学的Aaron Lindenberg以及Dübendorf的Empa的同事领导的一组研究人员现在通过研究纳米晶体内原子的运动，在理解钙钛矿方面取得了重大进展，时间分辨率为十亿分之一秒。他们最近在科学杂志《自然物理学》上发表了他们的发现。
“卤化物钙钛矿非常适合许多光电应用，”Yazdani说。“但在某些方面，这类材料如何表现出如此出色的光学和电子特性令人费解。
钙钛矿是与钛酸钙 （CaTiO3） 具有相同类型晶体结构的矿物，钛酸钙是“原始”钙钛矿。研究人员知道，当钙钛矿吸收光时，被激发到更高能量的电子与材料内部的声子强烈耦合。声子是晶体中原子的集体振动，类似于声波。
“通常，人们可以将晶体内每个原子的平均位置视为固定的，但是当电子的光激发导致晶格的大规模重组时，这不再可能，”Yazdani解释说。因此，研究人员必须回答的问题是：钙钛矿中的激发电子如何改变晶格的形状？
观察纳米晶体内部
为了窥探由Maryna Bodnarchuk和ETH教授Maksym Kovalenko在Empa合成的钙钛矿（甲脒溴化铅），研究人员使用了斯坦福大学国家加速器实验室（SLAC）的超快电子衍射光束线设施，该设施产生非常短的电子脉冲，持续时间仅为一百飞秒，或百万分之一秒。
然后，这些电子撞击钙钛矿纳米晶体，尺寸约为10纳米，衍射电子被收集在屏幕上。由于电子是行为像波的量子粒子，因此在与材料内部的原子衍射后，电子波会根据原子的位置和衍射方向进行建设性或破坏性干涉——就像从双缝中射出的光一样。即使是晶体结构的微小变化也可以用这种方式测量。
ETH的研究人员利用SLAC光束线的一个特殊功能来拍摄光子吸收期间和之后的晶体结构快照：通过使用相同的激光来产生光子并触发电子脉冲，他们能够通过改变光子必须行进的距离来控制光子相对于电子到达纳米晶体的时间。通过对数百皮秒（十亿分之一秒）的快照的分析，可以看出由光激发电子引起的晶格变形是如何随时间演变的。
对称性令人惊讶的增加
结果让研究人员大吃一惊。他们原本希望看到晶格的变形，这应该导致其对称性降低。相反，他们观察到了一种向增加对称性的转变——被激发的电子略微拉直了钙钛矿的偏斜晶体结构。
从模型计算中，他们能够推断出几个激子 – 结合的激发电子对和激发留下的带正电的空穴 – 可以合作拉直晶格。由于这降低了它们的总能量，因此激子有效地相互吸引。
定制钙钛矿的光学特性
“了解电子-声子耦合的起源将使生产具有特定光学特性的钙钛矿更容易为特定应用量身定制，”Yazdani说。
例如，用于下一代电视屏幕的钙钛矿纳米晶体可以涂覆在另一种材料的外壳中，以减少电子-声子耦合，从而减小发射光的光谱线宽。2022 年，《自然物理学》论文的几位合著者已经证明了这一点。
此外，由于激子之间的吸引力相互作用类似于允许电流在超导体中流动而不会损失的机制，因此可以利用这种吸引力来增强电子传输。反过来，这可能可用于制造基于钙钛矿的太阳能电池。
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