Команда исследователей из Института физики Казанского федерального университета, университета ИТМО и Сколтеха обнаружила, что делокализация оптического ближнего поля позволяет решить ряд фундаментальных задач в перовскитной фотонике.

Фундаментальным результатом работы является понимание природы взаимодействия света и вещества в двойных системах кристалл–жидкость, в котором главную роль играет неупругое широкополосное рассеяние света благодаря непрямым оптическим переходам через всю зону Бриллюэна, а не прямое поглощение света через электронные состояния вблизи краев запрещенной зоны.

К числу фундаментальных задач можно отнести: усиление фотолюминесценции квантовых точек в стеклах; эффект мерцания фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света; усиление фотолюминесценции при фазовых переходах; однофотонную антистоксовую люминесценцию при нерезонансной накачке; низкочастотный рамановский пик; супер-фотолюминесценцию в нанокристаллах и лазерную генерацию.

В  работе, опубликованной в журнале Advanced Science, группа ученых теоретически и экспериментально продемонстрировала ключевую роль оптического ближнего поля при его взаимодействии с веществом. Делокализация оптического ближнего поля обусловлена взаимодействием света с оптическими неоднородностями в твердых телах, которые могут быть естественными, как в перовскитах (например, точечные дефекты и области двойникования), либо сформированы путем деструктуризации кристалла, в результате которой образуется множество квантовых точек. В настоящей работе деструктуризация перовскита CsPbBr3 была выполнена с помощью электрических импульсов постоянного тока, которые сгенерировали электролюминесценцию. Ближнеполевой фотон с увеличенным импульсом взаимодействует с ловушечными электронами благодаря наличию дефектов в синтезируемом кристалле. Ученые обнаружили, что если разупорядоченный кристалл контактирует с обычным кристаллом, то вдоль границы их соприкосновения возникает усиленная фотолюминесценция и электронное рамановское рассеяние света.

«Топологические структуры "порядок–беспорядок" представляют собой двойные системы "кристалл–жидкость", в которых существует дальний порядок и локальный беспорядок. Взаимодействие света с такой структурой усиливается благодаря каскадному механизму – по принципу матрешки – усиления оптического поля. Сначала свет локализуется в бОльших структурах, затем в меньших и так далее. В конечном итоге свет эффективно связывается с оптическими неоднородностями среды и увеличивает ее показатель преломления, – ввел в курс дела заведующий кафедрой оптики и нанофотоники Института физики КФУ Сергей Харинцев. – К естественным средам "кристалл–жидкость" можно отнести не только перовскиты, представляющие собой систему связанных октаэдров, но и жидкие кристаллы, сильноассоциированные жидкости, высокоэнтропийные кристаллы, ДНК-оригами и т.д. Обычные твердые тела можно перевести в такое состояние с помощью импульсов постоянного электрического тока, сверхбыстрого нагрева, резонансного поглощения света или механического давления, например с помощью зонда кантилевера атомно-силового микроскопа».

Тот же самый эффект возникает на границе любого перовскитного кристалла, которая представляет собой протяженный дефект.

«Красота предложенной физической модели заключается в том, что краевое свечение кристалла возникает не благодаря механизму поглощение–рассеяние–поглощение, а благодаря широкополосному неупругому рассеянию света или электронному рамановскому рассеянию света», – рассказала соавтор статьи, сотрудник НИЛ Квантовая фотоника и метаматериалы Института физики Элина Батталова. – Это часто наблюдаемое в перовскитах явление – когда свет фокусируется на кристалле, его край завораживающе светится. Парадокс заключается в том, что это свечение наблюдается даже при освещении кристалла субзонной (нерезонансной) накачкой. Именно этот механизм лежит в основе визуализации структуры двойникования при субзонной накачке, тогда как накачка зона–зона не позволяет увидеть эту структуру».   

По словам С. Харинцева, электронное рамановское рассеяние света обеспечивает переходы ловушечных электронов из глубоких и мелких состояний благодаря увеличенному импульсу фотона ближнего поля. Выбрасывая электроны в зону проводимости, электронное рамановское рассение света приводит к локальному нагреву и частичному разрушению кристалла.

«Этот механизм проявляется в мерцании не только фотолюминесценции, но и рамановского рассеяния. Важно подчеркнуть, что эти процессы протекают при субзонной накачке (когда энергии падающего фотона недостаточно для оптического перехода зона–зона), обеспечивающей однофотонную антистоксовую фотолюминесценцию со сдвигом 411 мэВ. Наряду с усиленной спонтанной фотолюминесценцией, наблюдалась случайно-перестраиваемая лазерная генерация при комнатной температуре», – продолжил ученый КФУ.

Предложенная в работе физическая модель, основанная на взаимодействии фотонов ближнего поля с ловушечными электронами, возникающими благодаря дефектам в твердых телах, может быть востребована в самых разных задачах нелокальной фотоники, оптоэлектроники и материаловедения. К их числу можно отнести: усиленный фотокатализ для водородной энергетики, атомно-чувствительные сенсоры, широкополосные солнечные батареи, белые светодиоды, безрезонаторные лазеры, субдифракционную широкопольную визуализацию, бесчиповые нейроморфные вычисления и высокотемпературную сверхпроводимость.