多维相干光谱揭示铯铅卤钙钛矿纳米晶体中的三重态相干性

先进的光电子学需要具有新设计特性的材料。例子包括一类名为金属卤化物钙钛矿的材料，它们对于形成具有光伏效率的钙钛矿太阳能电池具有巨大的意义。最近的进展也将钙钛矿纳米晶体应用于发光器件。的异常有效的发光铯铅卤钙钛矿的独特之处可能是由于一种独特的激子精细结构，由三个明亮的三线态组成，与近端的暗单线态相互作用最小。激子是负责纳米结构半导体发射特性的电子激发，其中最低能量的激子状态预计寿命长，因此发射不良(或“暗”)。

在现在发表在Science Advances 上的一份新报告中，Albert Liu 和密歇根大学和巴西坎皮纳斯州立大学的一组物理和化学科学家使用低温(超冷)温度下的多维相干光谱进行研究没有孤立立方体形单纳米晶体的精细结构。这项工作揭示了涉及碘化铅(CsPbI 3 ) 三重态的相干性(相对于空间和时间的波特性)) 纳米晶体集合。基于三重态和三重态间相干性的测量，该团队获得了一个独特的激子精细结构能级排序，由暗态组成，能量位于明亮的三重态流形内。

构建铯铅卤化纳米晶体的集合

在这项工作中，刘等人。提取信息处理的关键数字，以在低温下构建铯铅碘化纳米晶体 (CsPbI 3 )的集合。第一个合成铯铅卤化物钙钛矿是在一个多世纪前开发的，其化学通式为 CsPbX 3(其中 X = 氯-Cl、溴-Br 或碘-I)和最近的产品形成的 CsPbX 3纳米晶体结合钙钛矿与胶体纳米晶体材料的优点。该钙钛矿型纳米晶表现出与荧光量子产率达到近团结对比硫属化物纳米带渐变外壳。

钙钛矿纳米晶体的异常亮度源自光学活性、非简并三重态，尽管存在暗单重态，但仍能有效发射。钙钛矿纳米晶体独特的激子精细结构提高了胶体纳米晶体在量子信息处理应用中的潜力。然而，研究人员需要对钙钛矿纳米晶体中的相干动力学有深入的了解，才能将激子叠加态设计为信息载体，而这一点尚未得到很好的理解。刘等人。因此使用多维相干光谱测量三重态激子并提供明暗混合能级排序的证据，这使得三重态激子仅部分亮。然后，该团队通过自下而上的工程方法将钙钛矿纳米晶体用作量子应用的潜在材料平台。

三重态量子路径和费曼图

为了进行多维相干光谱，该团队使用了多维光学非线性光谱仪，将三个激光脉冲聚焦到钙钛矿纳米晶体集合上，作为三个不同时间延迟(τ、T和t)的函数。在实验期间，科学家傅立叶将发射的四波混合信号转换为多维频谱中两个或所有三个时间延迟的函数。他们通常将由此产生的光-物质相互作用序列称为量子通路. 该团队使用双面费曼图从概念上表示了量子路径。这些图表包含垂直排列的密度矩阵元素序列，这些元素从初始基态种群开始，时间向上推进，通过与每个激发脉冲的相互作用在密度矩阵中引入变化。他们指出了三种类型的量子途径，定义为“激发态发射”(ESE)、“基态漂白”(GSB)和“激发态吸收”(ESA)，并且在这项工作中只考虑了 ESE 和 GSB 途径。

傅里叶变换研究此前已经揭示了各种钙钛矿材料的新电子特性。为了通过实验探索不同的量子路径，该团队选择了设置中第二个激光脉冲的偏振，以与其他两个脉冲的共线偏振平行或正交排列。他们在 4.6 K 的温度下通过共线和交叉线激发获得了单量子光谱。光谱显示出许多在对角线方向拉长的峰，以反映不均匀的光谱展宽。为了解释两种激发极化方案的峰结构，Liu 等人。理论上计算了不同偶极子矩阵元素的相对峰值强度和每个三重态转变的矢量方向，并从计算中得出重要结论。与集成的四波混频技术相比，单量子光谱在这项工作中特别有用。

峰值强度计算。(A) 所述的激励极化序列。(B) 偶极矩矢量方向示意图，其中

零量子光谱中的太赫兹三重态相干性

刘等人。接下来展示了许多产生与三重态间相干相关的边带的量子途径，即不一定偶极耦合的三重态之间的量子相干. 三重态间相干时间定义了在实验装置中可以连贯地操纵所涉及的叠加态的时间尺度，这具有实际重要性。为了直接测量和表征这些相干性，该团队在不同的时间延迟和温度(τ = 0 和 20 K)下使用了零量子光谱。对于交叉线性激发，研究人员通过将测得的四波混合信号通过垂直偏振器以在 20 K 处绘制产生的交叉线性零量子光谱来隔离三重态间相干通路。三重态间相干性为对热移相(高达 40 K)具有鲁棒性，并且该工作还显示了四波混合信号的电子性质。

通过这种方式，Albert Liu 及其同事测量并表征了钙钛矿晶格中的光频三重态相干性和三重态间相干性。结果与先前报道的其他卤化铅纳米晶体的结果显着不同。看来，即使钙钛矿晶格的单个组成原子的微小变化也可能彻底改变决定精细结构级排序的相互作用，这值得进一步研究。该团队在实验和理论上提出了激子带边缘的证据，其发射被中间暗态部分淬灭，为各种钙钛矿中的激子基态提供重要见解纳米晶体在量子信息处理方面的潜在应用。

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