Перовскит-хамелеон покраснел при сжатии
Физики из Китая и Сингапура изготовили перовскит, который фотолюминесцирует зеленым при нормальном давлении, а при сжатии до 35 тысяч атмосфер плавно изменяет цвет на красный. Такое изменение цвета ученые объясняют уменьшением глубины потенциальной ямы, в которой сидят электроны образца. Статья опубликована в Science Advances, кратко о ней сообщает Nature.
С тех пор, как в 2009 году группа японских физиков изготовила первые металлорганические солнечные батареи на основе перовскитов, ажиотаж вокруг этих соединений непрерывно растет. Перовскит — это минерал, обнаруженный в 1839 году в Уральских горах и названный в честь графа Льва Перовского; кристаллическая решетка перовскита состоит из атомов титана, кальция и кислорода, находящихся в вершинах кубов, кубооктаэдров и октаэдров соответственно. Чтобы получить из этой кристаллической решетки гибридное металлорганическое соединение, нужно заменить ионы титана ионами другого металла, атомы кальция — органическими катионами, а атомы кислорода — атомами галогенов (хлора, брома или иода). Особенно широко распространен вариант соединения, собранный из атомов свинца и молекул метиламмония.
Популярность перовскитов объясняется двумя ключевыми факторами: легкостью изготовления и легкостью настройки. Чтобы изменить оптические свойства перовскита, достаточно немного скорректировать его состав на этапе изготовления. Особенно сильно характеристики соединения зависят от атомов галогенов — например, перовскитные наноантенны с атомами иода светятся красным, а такие же наноантенны с атомами брома светятся синим. Поэтому физики часто используют перовскиты для изготовления солнечных батарей, разноцветных лазеров и светодиодов. Подробнее про применения перовскитов можно прочитать в материале «Большинство открытий пока еще не сделаны».
Кроме того, несколько лет назад ученые обнаружили, что свойства уже готовых перовскитов можно настраивать механически: если сжать свинцово-метиламмониевый перовскит до давления порядка 15 тысяч атмосфер, длина фотолюминесцентного излучения сдвинется почти на пятьдесят нанометров. Другими словами, если облучить образец лазером при нулевом давлении, он будет светиться на длине волны 807 нанометров, а при высоком давлении — на длине 850 нанометров. Впрочем, для практических применений этот промежуток слишком мал. Если же попытаться увеличить давление, структура соединения сильно изменяется, после чего оно быстро перестает светиться.
Группа физиков под руководством Цихуа Сюн (Qihua Xiong) придумала, как избавиться от этого недостатка и расширить доступный диапазон длин волн до половины видимого спектра. Для этого ученые заменили меленькие ионы метиламмония длинными цепочками ионов фенилэтиламмония, тем самым разделив атомы свинца в пространстве и превратив трехмерный кристалл в эффективно двумерную структуру. В качестве атомов галогена физики использовали атомы иода. Синтезированное соединение исследователи загрузили в алмазную ячейку и сжали до давления порядка 60 тысяч атмосфер. Чтобы уловить изменения внутренней структуры соединения, ученые использовали рентгеноструктурный анализ, а для наблюдений за оптическим излучением — рамановскую спектроскопию и фотолюминесцентную спектроскопию с разрешением по времени (time-resolved photoluminescence spectroscopy).
В результате физики обнаружили, что при повышении давления от нуля до 35 тысяч атмосфер длина волны излучения перовскита повышается с 521 (зеленый) до 602 нанометров (красный). В промежутке между крайними значениями кристалл светится желтым и оранжевым. Более того, в этих пределах изменение цвета полностью обратимо и мгновенно следует за изменением давления. Авторы подчеркивают, что таких давлений легко можно добиться на практике без использования алмазной ячейки. При последующем сжатии до 62 тысяч атмосфер длина волны продолжает увеличиваться, однако интенсивность излучения экспоненциально быстро падает, а изменения становятся необратимыми. Одновременно с этим уменьшается и среднее время фотолюминесценции.
По словам ученых, изменение цвета фотолюминесценции объясняется перестройкой кристаллической структуры образца: чем больше давление, тем легче электроны отрываются от атомов, тем меньше их энергия и тем длиннее волна испускаемого при рекомбинации света. Чтобы подтвердить это предположение, ученые численно рассчитали в рамках теории функционала плотности кристаллическую структуру образца и глубину потенциальной ямы, в которой сидят электроны. Как и ожидалось, при повышении давления среднее расстояние между атомами и глубина потенциальной ямы уменьшаются. Измерение параметров кристаллической решетки с помощью рентгеноструктурного анализа подтверждает этот теоретический результат.
Как правило, высокое давление сильно изменяет свойства веществ. Например, при давлении порядка нескольких миллионов атмосфер изменяется внутренняя структура осмия, азот превращается в жидкий металл, а водород становится твердым. Кроме того, при таких высоких давлениях формируются необычные химические соединения — в частности, перестраивается кристаллическая структура диоксида кремния, гелий соединяется с водородом и железом, появляются «невозможные» соли вроде Na3Cl, NaCl3 или NaCl7. Подробнее о поведении вещества в экстремальных условиях можно прочитать в материале «Путешествие к центру Земли».
Дмитрий Трунин
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.
