Muchos problemas científicos y técnicos podrían resolverse fácilmente si fuera posible mirar el interior de un material y observar sus átomos y electrones moviéndose en tiempo real. En el caso de las perovskitas de haluros, una clase de minerales que se ha vuelto muy popular en los últimos años por su uso en tecnologías que van desde células solares hasta tecnologías cuánticas, los físicos han intentado durante mucho tiempo comprender sus excelentes propiedades ópticas.
Un equipo de investigadores dirigido por Nuri Yazdani y Vanessa Wood de ETH Zurich y Aaron Lindenberg de Stanford, junto con colegas de Empa en Dübendorf, han logrado avances significativos hacia nuestra comprensión de las perovskitas al estudiar el movimiento de los átomos dentro de los nanocristales a lo largo del tiempo. resolución de unas pocas milmillonésimas de segundo. Recientemente publicaron sus hallazgos en la revista científica Nature Physics.
«Las perovskitas de haluro son excelentes para muchas aplicaciones optoelectrónicas», dice Yazdani. «Pero, en cierto modo, es intrigante cómo esta clase de materiales puede exhibir propiedades ópticas y electrónicas tan excepcionales». Las perovskitas son minerales que tienen el mismo tipo de estructura cristalina que el titanato de calcio (CaTiO3), la perovskita «original». Los investigadores sabían que cuando las perovskitas absorben luz, los electrones excitados a energías más altas se acoplan estrechamente a los fonones dentro del material. Los fonones son vibraciones colectivas, similares a las ondas sonoras, de los átomos de un cristal. «A menudo se puede considerar fija la posición media de cada átomo dentro de un cristal, pero esto ya no es posible cuando una excitación óptica de un electrón conduce a una reorganización importante de la red cristalina», explica Yazdani. Por lo tanto, la pregunta que los investigadores tenían que responder era: ¿cómo cambian los electrones excitados en las perovskitas la forma de la red cristalina?
Mirando el interior de los nanocristales
Para observar el interior de una perovskita (bromuro de plomo y formamidinio) sintetizada en Empa por Maryna Bodnarchuk y el profesor de ETH Maksym Kovalenko, los investigadores utilizaron una línea de luz de difracción de electrones ultrarrápida en el Laboratorio Nacional del Acelerador de Stanford (SLAC) que produce pulsos de electrones muy cortos que duran solo un cien femtosegundos, o millonésimas de millonésima de segundo. Luego, estos electrones chocan contra nanocristales de perovskita, de unos 10 nanómetros de tamaño, y los electrones difractados se recogen en una pantalla. Debido a que los electrones son partículas cuánticas que se comportan como ondas, después de ser difractados de los átomos dentro del material, las ondas electrónicas interfieren de manera constructiva o destructiva dependiendo de las posiciones de los átomos y la dirección de la difracción, de manera muy similar a la luz que emerge de una doble rendija. De esta manera se pueden medir incluso pequeños cambios en la estructura cristalina.
Los investigadores de ETH utilizaron una característica especial de la línea de luz SLAC para tomar fotografías de la estructura cristalina durante y después de la absorción de un fotón: al usar el mismo láser para crear los fotones y activar el pulso de electrones, pudieron controlar el tiempo. llegada del fotón a los nanocristales en relación a la de los electrones, cambiando la distancia que debían recorrer los fotones. Al analizar estas instantáneas durante varios cientos de picosegundos (milmillonésimas de segundo), fue posible ver cómo la deformación de la red cristalina causada por los electrones fotoexcitados evolucionó con el tiempo.
