Intensity-driven Mott-like transition in a 2D Ruddlesden-Popper perovskite

La luce è solitamente considerata un flusso costante di energia, ma quando viene concentrata in impulsi incredibilmente brevi e intensi, inizia a comportarsi in modi sorprendenti. Nel mondo della scienza dei materiali, i ricercatori cercano costantemente sostanze che possano cambiare il modo in cui interagiscono con la luce a seconda di quanto sia luminosa. Questa proprietà è fondamentale per la costruzione della prossima generazione di computer e sensori ottici, dove l'informazione è trasportata dalla luce piuttosto che dall'elettricità. Per comprendere questo, immaginate un materiale che agisce come una spugna per la luce quando il fascio è debole, assorbendola, ma che poi diventa improvvisamente uno specchio o un blocco quando il fascio diventa troppo luminoso. Questo passaggio non è solo un cambiamento di volume; è un cambiamento fondamentale dello stato stesso della materia, guidato dalla forza pura della luce che lo colpisce. La chiave per sbloccare questo comportamento risiede spesso nel modo in cui gli elettroni, le minuscole particelle cariche all'interno degli atomi, si legano o si separano sotto pressione.

Un team di ricercatori ha esplorato recentemente questo fenomeno in un tipo specifico di cristallo noto come perovskite bidimensionale. Questi materiali sono costruiti come un sandwich, con strati di atomi inorganici separati da molecole organiche. Questa struttura intrappola gli elettroni in un modo che li rende molto sensibili alla luce. Gli scienziati si sono concentrati su un composto fatto di piombo, iodio e butilammonio, che forma fogli sottili e piatti. Volevano vedere cosa sarebbe successo se avessero colpito questo materiale con un colore specifico di luce infrarossa, un colore invisibile all'occhio umano ma capace di trasportare energia sufficiente a innescare una reazione quando due fotoni, o pacchetti di luce, colpiscono il materiale contemporaneamente. Regolando attentamente l'intensità di questo impulso laser, hanno scoperto un punto di svolta drammatico in cui il comportamento del materiale è cambiato completamente.

L'esperimento è iniziato con un sottile film di questo cristallo, spesso solo una frazione di millimetro, posto su un vetrino da laboratorio. I ricercatori hanno sparato un fascio laser sul materiale, sintonizzato su una lunghezza d'onda di 1030 nanometri. Questo colore specifico è stato scelto perché risuona con lo stato energetico naturale degli elettroni nel cristallo, ma solo quando due di essi combinano la loro energia. Mentre aumentavano lentamente la luminosità del laser, osservavano quanta luce passava attraverso il campione. Alle intensità più basse, il materiale si comportava come previsto per questo tipo di cristallo: diventava più trasparente man mano che la luce diventava più intensa. Questo è noto come assorbimento saturabile, dove la capacità del materiale di bloccare la luce viene esaurita, permettendo a una maggiore quantità di passare attraverso. Tuttavia, quando l'intensità del laser ha superato una soglia critica di circa 90 gigawatt per centimetto quadrato, il comportamento si è invertito. Improvvisamente, il materiale ha iniziato a bloccare più luce man mano che il fascio diventava più luminoso, un fenomeno chiamato assorbimento saturabile inverso.

Questo passaggio non è stato un declino graduale ma una transizione netta, suggerendo che lo stato interno del materiale fosse fondamentalmente cambiato. I ricercatori hanno scoperto che ai bassi livelli di luce, gli elettroni erano strettamente legati in coppie chiamate eccitoni, che agivano come unità singole facilmente saturabili. Ma una volta che l'intensità della luce ha superato quel limite critico, l'enorme numero di elettroni eccitati ha creato un ambiente affollato in cui hanno iniziato a spingersi lamente l'un l'altro. Le forze elettriche che di solito li tengono uniti sono state sopraffatte dalla folla, causando la rottura delle coppie in una densa zuppa di elettroni e lacune libere e fluttuanti. Questo passaggio da uno stato di coppie legate a un plasma libero è noto come transizione di Mott, un concetto solitamente associato a condizioni estreme, ma qui è stato innescato semplicemente aumentando la luminosità di un laser.

Per confermare che si trattasse effettivamente di un cambiamento nello stato della materia e non solo di un effetto di riscaldamento, il team ha osservato come il materiale deviava la luce che lo attraversava. Alle intensità più basse, il cristallo agiva come una lente che disperdeva la luce, un comportamento chiamato auto-defocalizzazione. Una volta che l'intensità ha superato il punto critico, la lente si è invertita e il materiale ha iniziato a focalizzare la luce verso l'interno, ovvero l'auto-focalizzazione. Questa inversione nel modo in cui il materiale devia la luce ha fornito una forte prova del fatto che gli elettroni si fossero effettivamente trasformati da uno stato legato a un plasma libero. I ricercatori hanno anche misurato quanto durassero queste particelle eccitate. Al di sotto dell'intensità critica, le particelle si ricombinavano rapidamente, tipico delle coppie legate. Al di sopra del limite, esse persistevano per centinaia di picosecondi, segno che erano diventate portatori liberi in un plasma denso, incapaci di trovarsi facilmente per ricombinarsi.

I risultati suggeriscono che questo specifico cristallo sia un candidato eccezionalmente forte per controllare la luce con la luce. Il materiale ha mostrato un coefficiente di assorbimento a due fotoni significativamente più alto di molti altri materiali conosciuti, inclusa la grafene. Ciò significa che può interagire con la luce in modo molto efficiente senza dover essere incredibilmente sottile o difficile da fabbricare. La capacità di passare tra il lasciare passare la luce e il bloccarla, o tra il disperdere la luce e il focalizzarla, semplicemente cambiando l'intensità del fascio, apre la porta a nuovi tipi di interruttori ottici. Questi dispositivi potrebbero operare interamente con la luce, portando potenzialmente a sistemi di calcolo più veloci ed efficienti che non dipendono dal movimento di elettroni che generano calore attraverso i fili. Lo studio conferma che, sintonizzando la luminosità di un laser, è possibile guidare un materiale attraverso una transizione di fase, trasformando un cristallo solido in un plasma dinamico controllato dalla luce in una frazione di secondo.