Изменения симметрии в квантовых точках под воздействием света позволяют исследователям создавать материалы с заданными свойствами

Представьте, что вы строите башню из кубиков «Лего». Каждый кубик представляет собой атом в крошечном кристалле, известном как квантовая точка. Точно так же, как при столкновении с башней кубики могут сдвинуться и изменить её структуру, внешние силы могут сдвинуть атомы в квантовой точке, нарушив её симметрию и повлияв на её свойства.

Ученые выяснили, что они могут намеренно нарушать симметрию — или восстанавливать симметрию — в квантовых точках, чтобы создавать новые материалы с уникальными свойствами. В недавнем исследовании ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, как использовать свет для изменения расположения атомов в этих крошечных структурах.

Квантовые точки, изготовленные из полупроводниковых материалов, таких как сульфид свинца, известны своими уникальными оптическими и электронными свойствами благодаря своему крошечному размеру. Это даёт им возможность произвести революцию в таких областях, как электроника и медицинская визуализация. Используя возможность контролировать симметрию этих квантовых точек, учёные могут придавать материалам определённые свойства, связанные со светом и электричеством. Это исследование открывает новые возможности для разработки материалов, способных выполнять задачи, которые раньше считались невозможными, и прокладывает путь к инновационным технологиям.

Как правило, ожидается, что сульфид свинца будет образовывать кубическую кристаллическую структуру, характеризующуюся высокой симметрией, как у поваренной соли. В этой структуре атомы свинца и серы должны располагаться в очень упорядоченной решётке, похожей на чередующиеся красные и синие блоки Lego.

Однако предыдущие данные указывали на то, что атомы свинца находились не там, где ожидалось. Вместо этого они были немного смещены от центра, что привело к менее симметричной структуре.

«Когда симметрия меняется, это может изменить свойства материала, и он становится почти как новый материал, — объяснил физик из Аргоннской национальной лаборатории Ричард Шаллер. — В научном сообществе большой интерес к поиску способов создания состояний материи, которые невозможно получить в обычных условиях».

Команда исследователей использовала передовые лазерные и рентгеновские методы, чтобы изучить, как меняется структура квантовых точек из сульфида свинца под воздействием света. В Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США они использовали инструмент под названием «Мегаэлектронвольтная сверхбыстрая электронная дифракция» (MeV-UED), чтобы наблюдать за поведением этих квантовых точек в невероятно короткие промежутки времени — до триллионной доли секунды.

Тем временем в Усовершенствованном источнике фотонов (APS), пользовательском центре Министерства энергетики США в Аргонне, они провели эксперименты по сверхбыстрому полному рассеянию рентгеновских лучей с использованием линии 11-ID-D для изучения временных структурных изменений в масштабах до миллиардной доли секунды. Эти рентгеновские измерения стали возможны благодаря недавнему обновлению APS, которое позволяет получать высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые в 500 раз ярче, чем раньше.

Кроме того, в Центре наноразмерных материалов, ещё одном научном центре Министерства энергетики США в Аргонне, команда провела быстрые — опять же, менее чем за одну триллионную долю секунды — измерения оптического поглощения, чтобы понять, как меняются электронные процессы при изменении симметрии. Эти ультрасовременные установки в Аргонне и SLAC сыграли решающую роль в том, чтобы помочь исследователям узнать больше о контроле симметрии и оптических свойствах квантовых точек в очень короткие сроки.

Конец формы

Используя эти методы, исследователи заметили, что при воздействии коротких вспышек света на квантовые точки симметрия кристаллической структуры меняется с беспорядочного состояния на более упорядоченное.

«Когда квантовые точки поглощают световой импульс, возбуждённые электроны заставляют материал переходить в более симметричное состояние, при котором атомы свинца возвращаются в центральное положение», — сказал Бурак Гюзельтюрк, физик из APS.

Восстановление симметрии напрямую повлияло на электронные свойства квантовых точек. Команда исследователей заметила снижение ширины запрещённой зоны, то есть разницы в энергии, необходимой электронам для перехода из одного состояния в другое в полупроводниковом материале. Это изменение может повлиять на то, насколько хорошо кристаллы проводят электричество и реагируют на внешние силы, такие как электрические поля.

Кроме того, исследователи также изучили, как размер квантовых точек и химический состав их поверхности влияют на временные изменения симметрии. Регулируя эти факторы, они смогли контролировать сдвиги симметрии и точно настраивать оптические и электронные свойства квантовых точек.

«Мы часто предполагаем, что кристаллическая структура на самом деле не меняется, но эти новые эксперименты показывают, что структура не всегда остаётся неизменной при поглощении света», — сказал Шаллер.

Результаты этого исследования важны для нанонауки и технологий. Возможность изменять симметрию квантовых точек с помощью световых импульсов позволяет учёным создавать материалы с определёнными свойствами и функциями. Подобно тому, как из кубиков Lego можно создавать бесконечные конструкции, исследователи учатся «строить» квантовые точки с нужными свойствами, прокладывая путь для новых технологических достижений.

Результаты этого исследования были опубликованы в Advanced Materials.

Источник: Phys.org