חוקרים מאוניברסיטת מקגיל קיבלו תובנה חדשה לגבי פעולתם של פרובסקיטים, א סמיקונדקטור חומר שמגלה הבטחה רבה לייצור תאים סולאריים בעלות יעילות גבוהה בעלות נמוכה ומגוון מכשירים אופטיים ואלקטרוניים אחרים.
פרובסקיטים משכו תשומת לב בעשור האחרון בגלל יכולתם לשמש כמוליכים למחצה גם כאשר ישנם פגמים במבנה הגביש של החומר. זה הופך את הפרובסקיטים למיוחדים מכיוון שעבור רוב המוליכים למחצה האחרים לעבוד טוב דורש טכניקות ייצור מחמירות ויקרות כדי לייצר גבישים נטולי פגמים ככל האפשר. באיזה סכום הוא גילוי מצב חדש של חומר, צוות מקגיל עשה צעד קדימה בפתיחת התעלומה כיצד פרובסקיטים מושכים את הטריק הזה.
"באופן היסטורי, אנשים השתמשו במוליכים למחצה בתפזורת שהם גבישים מושלמים. ועכשיו, פתאום, הגביש הלא מושלם והרך הזה מתחיל לעבוד בשבילו סמיקונדקטור יישומים, מפוטו-וולטאים ועד לנוריות LED", מסביר הסופר הבכיר פטנג'לי קמבהמפטי, פרופסור חבר במחלקה לכימיה במקגיל. "זו נקודת המוצא למחקר שלנו: איך משהו פגום יכול לעבוד בצורה מושלמת?"
נקודות קוונטיות, אך לא כפי שאנו מכירים אותן
החוקרים חושפים שתופעה המכונה כליאה קוונטית מתרחשת בתוך גבישי פרובסקיט בתפזורת. עד כה, הסתגרות קוונטית נצפתה רק בחלקיקים בגודל של ננומטרים ספורים - הנקודות הקוונטיות של תהילת טלוויזיה בעלת מסך שטוח הינה דוגמה אחת מהודרת. כאשר חלקיקים קטנים כל כך, הממדים הפיזיים שלהם מגבילים את תנועת האלקטרונים באופן שמעניק לחלקיקים מאפיינים שונים באופן מובהק מחלקים גדולים יותר מאותו החומר - תכונות שניתן לכוונן כדי לייצר אפקטים שימושיים כמו פליטת אור ב צבעים מדויקים.
תוך שימוש בטכניקה המכונה ספקטרוסקופיית משאבה / בדיקה מתומחרת על ידי המדינה, החוקרים הראו סוג דומה של כליאה מתרחש בגבישי עופרת ברומיד צזיום בתפזורת. במילים אחרות, הניסויים שלהם גילו התנהגות דמוית נקודה קוונטית המתרחשת בחתיכות פרובסקיט הגדולות משמעותית מנקודות קוונטיות.
התוצאה המפתיעה מובילה לתגלית לא צפויה
העבודה מתבססת על מחקרים קודמים שקבעו שלפרובסקיטים, למרות שהם נראים כחומר מוצק בעין בלתי מזוינת, יש מאפיינים מסוימים הקשורים לרוב לנוזלים. בלבה של הדואליות הנוזלית-המוצקה הזה סריג אטומי המסוגל לעוות בתגובה לנוכחותם של אלקטרונים חופשיים. קמבהמפטי משווה השוואה לטרמפולינה הקולטת את פגיעתו של סלע שנזרק למרכזו. כשם שבסופו של דבר הטרמפולינה תביא לסלע לקיפאון, לעיוות סריג הקריסטל הפרובסקיטי - תופעה המכונה היווצרות פולרון - יש השפעה מייצבת על האלקטרון.
בעוד שההקבלה לטרמפולינה תציע פיזור הדרגתי של אנרגיה התואמת מערכת שעוברת ממצב נרגש חזרה למצב יציב יותר, נתוני הספקטרוסקופיה של המשאבה / בדיקה גילו למעשה את ההפך. להפתעת החוקרים, המדידות שלהם הראו עלייה כוללת באנרגיה בעקבות היווצרות הפולרון.
"העובדה שהאנרגיה הועלתה מראה השפעה מכנית קוונטית חדשה, כליאה קוונטית כמו נקודה קוונטית", אומר קמבמפטי ומסביר כי בסולם הגודל של האלקטרונים, הסלע בטרמפולינה הוא אקסיטון, הזיווג המאוגד של אלקטרונים עם החלל שהוא משאיר אחריו כשהוא במצב נרגש.
"מה שהפולרון עושה הוא להגביל הכל לאזור מוגדר מרחבי. אחד הדברים שהקבוצה שלנו הצליחה להראות לנו שהפולרון מתערבב עם אקסיטון כדי ליצור מה שנראה כמו קוונטי נְקוּדָה. במובן מסוים, זה כמו נקודה קוונטית נוזלית, וזה משהו שאנחנו מכנים טיפה קוונטית. אנו מקווים כי חקר התנהגותן של טיפות קוונטיות אלה יביא להבנה טובה יותר כיצד להנדס חומרים אופטו-אלקטרוניים הסובלים מפגמים. "