Изменения симметрии в крошечных кристаллах под воздействием света позволяют исследователям создавать материалы с заданными свойствами

Представьте, что вы строите башню из Лего с идеально выровненными блоками. Каждый блок представляет собой атом в крошечном кристалле, известном как квантовая точка. Подобно тому, как удар по башне может сдвигать блоки и изменять её структуру, внешние силы могут сдвигать атомы в квантовой точке, нарушая её симметрию и влияя на её свойства. Учёные выяснили, что они могут намеренно вызывать нарушение симметрии — или её восстановление — в квантовых точках для создания новых материалов с уникальными свойствами.

В недавнем исследовании учёные из Национальной лаборатории Аргонн, Министерства энергетики США (DOE), обнаружили, как можно 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 их крошечному размеру, что даёт им потенциал революционизировать такие области, как электроника и медицинская визуализация.

Используя способность контролировать симметрию в этих квантовых точках, учёные могут настраивать материалы для получения определённых оптических и электрических свойств. Это исследование открывает новые возможности для разработки материалов, которые могут выполнять задачи, ранее считавшиеся невозможными, предлагая путь к инновационным технологиям.

Обычно сульфид свинца должен формировать кристаллическую структуру кубической симметрии, схожую с симметрией поваренной соли. В этой структуре атомы свинца и серы должны располагаться в очень упорядоченной решётке, как чёредующиеся красные и синие блоки Лего. Однако предыдущие данные показывали, что атомы свинца не находятся точно там, где ожидалось. Вместо этого они были немного смещены, что приводило к структуре с меньшей симметрией. "Когда симметрия меняется, это может изменить свойства материала, и это почти как совершенно новый материал", — объяснил физик Аргонн Ричард Шаллер.

"Существует большой интерес в научном сообществе к поиску способов создания состояний вещества, которые нельзя получить при обычных условиях". Команда использовала передовые лазерные и рентгеновские методы для изучения того, как структура квантовых точек сульфида свинца изменяется при воздействии света. В Национальной лаборатории ускорителей SLAC DOE они использовали инструмент, называемый Мегаэлектронвольтным ультрабыстрым рентгеновским дифракционным методом (MeV-UED), чтобы наблюдать за поведением этих квантовых точек в невероятно короткие промежутки времени, до триллионной доли секунды.

Тем временем, в Источнике передовых фотонов (APS), научно-исследовательской базе Министерства энергетики в Аргонн, они провели эксперименты по ультрабыстрому полному рентгеновскому рассеянию с использованием Beamline 11-ID-D, чтобы исследовать временные структурные изменения на временных шкалах до миллиардной доли секунды. Эти рентгеновские измерения воспользовались недавним обновлением APS, которое предоставляет рентгеновские лучи высокой энергии, в 500 раз более яркие, чем раньше. Кроме того, в Центре наноматериалов (еще одна исследовательская база DOE в Аргонн) команда провела быстрые — менее чем триллионную долю секунды — измерения оптического поглощения, чтобы понять, как изменяются электронные процессы при изменении симметрии.

Эти передовые установки в Аргонн и SLAC сыграли ключевую роль в том, чтобы помочь исследователям узнать больше о контроле симметрии и оптических свойствах квантовых точек на очень быстрых временных шкалах. Используя эти методы, исследователи наблюдали, что при воздействии коротких всплесков света симметрия кристаллической структуры менялась с неупорядоченного состояния на более организованное. "Когда квантовые точки поглощают световой импульс, возбуждённые электроны вызывают сдвиг материала к более симметричной структуре, в которой атомы свинца возвращаются в центр", — сказал физик из APS Бурак Гюзелтюрк.

Возвращение симметрии напрямую повлияло на электронные свойства квантовых точек. Команда заметила снижение энергии запрещённой зоны, что является разницей в энергии, необходимой электронам, чтобы прыгнуть из одного состояния в другое в полупроводниковом материале. Это изменение может повлиять на то, как хорошо кристаллы проводят электричество и реагируют на внешние силы, такие как электрические поля. Кроме того, исследователи также изучили, как размер квантовых точек и их поверхностная химия влияют на временные изменения симметрии. Подстраивая эти факторы, они могли контролировать изменения симметрии и точно настраивать оптические и электронные свойства квантовых точек.

"Мы часто предполагаем, что кристаллическая структура не меняется, но эти новые эксперименты показывают, что структура не всегда статична, когда свет поглощается", — сказал Шаллер. Результаты этого исследования важны для нанонауки и технологий. Способность изменять симметрию квантовых точек с помощью лишь световых импульсов позволяет учёным создавать материалы с заданными свойствами и функциями. Точно так же, как кирпичики Лего могут быть превращены в бесконечные структуры, исследователи учат, как "строить" квантовые точки с нужными свойствами, открывая путь для новых технологических достижений. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Materials.

• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции
• Телескоп «Джеймс Уэбб» показал рождение тысяч новых звёзд в «Омара»
• GE Aerospace испытала гиперзвуковой двигатель без движущихся частей