Molti problemi scientifici e tecnici potrebbero essere facilmente risolti se fosse possibile guardare all’interno di un materiale e osservare i suoi atomi ed elettroni che oscillano avanti e indietro. Nel caso delle perovskiti alogenuri, un tipo di minerale diventato popolare negli ultimi anni per applicazioni in varie tecnologie, dalle celle solari alle tecnologie quantistiche, i fisici hanno cercato a lungo di comprendere le loro eccezionali proprietà ottiche. Un team di ricercatori guidato da Nuri Yazdani e Vanessa Wood del Politecnico di Zurigo e da Aaron Lindenberg di Stanford, insieme ai colleghi dell’Empa di Dübendorf, ha ora dato un contributo significativo alla comprensione delle perovskiti: I ricercatori hanno studiato i movimenti degli atomi nei nanocristalli con una risoluzione temporale di qualche miliardesimo di secondo. I risultati sono stati pubblicati di recente sulla rivista Nature Physics.
"Le perovskiti alogenuri sono ottime per molte applicazioni nell’optoelettronica", dice Yazdani, "ma è sorprendente in un certo senso che questa classe di materiali possa avere proprietà ottiche ed elettroniche così eccellenti". Le pervoskiti sono minerali che hanno lo stesso tipo di struttura cristallina del titanato di calcio perovskite "originale" (CaTiO3). Era già noto che gli elettroni, eccitati a energie più elevate quando le perovskiti assorbono la luce, si accoppiano fortemente ai fononi del materiale. I fononi, come le onde sonore, sono vibrazioni collettive degli atomi in un cristallo.
"Spesso si può considerare rigida la posizione centrale di ogni atomo in un cristallo, ma questo non è più possibile se l’eccitazione ottica di un elettrone porta a una riorganizzazione estesa del reticolo cristallino", spiega Yazdani. La domanda a cui i ricercatori dovevano rispondere era quindi: in che modo gli elettroni eccitati nelle perovskiti cambiano la forma del reticolo cristallino?
Uno sguardo all’interno dei nanocristalli
Per dare un’occhiata all’interno di una perovskite (bromuro di piombo formamidinio) che Maryna Bonarchuk e il professore dell’ETH Maksym Kovalenka avevano sintetizzato all’Empa, i ricercatori hanno utilizzato la linea di fascio di diffrazione elettronica ultraveloce dello Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC), che produce impulsi di elettroni molto brevi della durata di poche centinaia di femtosecondi (milionesimi di milionesimo di secondo). Questi elettroni colpiscono poi i nanocristalli di perovskite, che hanno una dimensione di soli 10 nanometri, e gli elettroni diffratti vengono raccolti su uno schermo. Poiché gli elettroni sono particelle quantistiche che si comportano come onde, dopo la diffrazione si sovrappongono in modo costruttivo o distruttivo agli atomi del materiale, a seconda della posizione degli atomi e della direzione della diffrazione - in modo molto simile alla luce che ha attraversato una doppia fenditura. In questo modo è possibile misurare anche minuscoli cambiamenti nella struttura cristallina.I ricercatori hanno utilizzato una speciale caratteristica della linea di fascio di SLAC per scattare istantanee della struttura del cristallo durante e dopo l’assorbimento di un fotone: Utilizzando lo stesso laser per emettere i fotoni e per innescare l’impulso di elettroni, sono stati in grado di controllare il tempo di arrivo relativo dei fotoni e degli elettroni ai nanocristalli modificando la distanza percorsa dai fotoni. Analizzando queste istantanee su diverse centinaia di picosecondi (miliardesimi di secondo), è stato possibile vedere come la deformazione del reticolo cristallino causata dagli elettroni eccitati si sia sviluppata nel tempo.
