Используя метод спектроскопии спинового шума, физики из Санкт-Петербургского государственного университета провели новаторское исследование перовскита MAPbI₃ — многообещающего материала для солнечных элементов и оптоэлектронных устройств. В ходе работы ученые выявили исключительно длительные времена спиновой когерентности свободных носителей в объемном кристалле и показали, что магнитные характеристики материала изменяются под воздействием внешнего магнитного поля, что связано с анизотропией кристалла. О результатах исследования сообщается в научном журнале Physical Review Letters.
Перовскиты (ABX₃) — это материалы, характеристики которых определяются их составом. Если в их структуру входят галогены, такие как йод, бром или хлор, они классифицируются как галогениды. Эти перовскиты находят применение в солнечных панелях, датчиках освещенности и других устройствах.
Один из таких материалов — перовскит MAPbI₃ — эффективный поглотитель и излучатель света. Этот материал представляет собой соединение йода, свинца и органического катиона метиламмония. Физики Санкт‑Петербургского университета активно изучают его свойства и возможности применения. Ранее они измерили его дисперсию показателя преломления при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Используя метод спектроскопии спинового шума (ССШ), исследователи из СПбГУ провели исследование, целью которого было изучение случайных колебаний спинов в слабом магнитном поле без возбуждения системы. Спины, которые можно представить как миниатюрные магниты у частиц, подвержены случайным колебаниям, и измерение этих колебаний позволяет изучать магнитные характеристики веществ. Этот подход имеет решающее значение для разработки новых материалов и технологий.
Изначально ССШ применялись преимущественно для изучения газов и изотропных полупроводников, таких как арсенид галлия. Физики из СПбГУ предложили расширить область применения этого метода и использовать его для анализа перовскита.
Для изучения перовскита без повреждения его структуры физики из СПбГУ применили инфракрасный лазер малой мощности, который не способен возбуждать электроны в материале. Это позволило провести эксперимент без внесения искажений. При прохождении через образец луч света демонстрирует случайные отклонения от своего первоначального направления – это явление известно как шум фарадеевского вращения. В результате удалось выявить в перовските свободные положительные носители заряда, или «дырки», для которых время спиновой когерентности оказалось рекордно долгим среди перовскитов – приблизительно четыре наносекунды. Эксперимент также показал, что реакция материала на магнитное поле зависит от его направления, что обусловлено анизотропией кристаллической структуры.
«Анизотропия среды проявляется в зависимости ее характеристик, таких как прочность или намагниченность, от направления приложенного воздействия (например, силы или магнитного поля). Чтобы понять это явление, можно представить кристалл не как идеальный шар, а как деревянный брусок: вдоль волокон он обладает высокой прочностью, в то время как поперек его легко сломать. В рассматриваемой работе внешнее магнитное поле по-разному влияет на спиновую систему перовскита в зависимости от направления поля. «Мы имеем возможность изменять это направление относительно образца, закрепленного в криостате», — пояснил аспирант лаборатории оптики спина СПбГУ, один из авторов исследования, Вадим Козлов.
По словам исследователя, в ходе эксперимента были выявлены две спиновые подсистемы, ассоциированные с двойникованием кристалла. При определенной ориентации магнитного поля спиновый шум расщепился на два пика, что указывает на то, что кристалл состоит из нескольких областей (двойников), объединенных симметричной связью, такой как зеркальное отражение или поворот. Эти области сливаются, формируя единый, но неоднородный кристалл. Метод спинового шума позволил использовать его как «структурный микроскоп», обнаружив эту скрытую неоднородность.
Исследование выполнено в лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, выполненной в соответствии с грантом Министерства науки и высшего образования РФ № 075‑15‑2022‑1112, при использовании оборудования ресурсных центров СПбГУ «Нанофотоника» и «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ.