与 Cs 中的大电子极化子相关的原子位移的 3D 视图2AgBiBr（阿加比溴化物）6.模拟单元总共包含 320,000 个原子，为清楚起见，图中显示了 32,000 个 Ag 原子。原子位移模式形成螺旋布洛赫点的非磁性模拟。图片来源：Jon Lafuente-Bartolome、Chao Lian、Feliciano Giustino。

卤化物钙钛矿是一类材料，其底层结构类似于矿物钙钛矿，但 X 位点被卤化物离子占据，而它们的 A 和 B 位点被阳离子占据。这些材料具有各种优势特性，使其成为开发光伏 （PV）、发光二极管 （LED） 和其他光电器件的有前途的候选材料。

最近的研究收集了关于卤化物钙钛矿及其光电特性的有趣见解。尽管如此，这些材料非凡的载流子寿命的起源尚未被发现。

德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员最近进行了一项研究，旨在为这些非凡的载体寿命的起源提供新的线索。他们发表在PNAS上的论文表明，卤化物钙钛矿受非常规电子声子物理学的控制，这导致了一类新的准粒子的形成，作者称之为“拓扑极化子”。

“我们的动机是实验性质的，”该论文的合著者Jon Lafuente，Chao Lian和Feliciano Giustino告诉 Phys.org。

“卤化物钙钛矿是光伏和发光器件应用的非凡材料，因为它们具有出色的光电特性，例如较长的载流子寿命和扩散长度。一些最先进的实验技术已被应用于这些材料，以揭示这些不寻常特性的起源，并阐明其非凡能量转换效率的起源。

在最近的实验中收集的证据表明，卤化物钙钛矿原子晶格中电子和振动之间的强烈相互作用可能有助于其显着的载流子寿命和功率转换效率。具体来说，一些研究人员认为，支撑这些特性的关键过程可能是极化子的形成，极化子是由与晶格变形耦合的电子组成的局域准粒子。

“到目前为止，缺乏适当的理论方法论来包含这些材料和这些准粒子的全部复杂性，这阻碍了我们在原子尺度上理解卤化物钙钛矿中极化子形成的能力，”Lafuente和Giustino解释说。

“我们小组最近开发了一种新颖的高性能计算方法，从量子力学的第一原理开始，研究极化子的形成，结合电子载流子和晶格振动之间的相互作用。

在过去的几年里，Lafuente、Lian、Giustino和他们的同事们一直在尝试使用高性能代码来促进他们提出的方法的实施，然后他们可以在一些世界上最大的超级计算机（即TACC和NERSC计算机）上运行这些代码。作为他们最近研究的一部分，他们专门着手使用这些方法来研究卤化物钙钛矿中极化子的形成。

理想螺旋布洛赫点的示意图。位移模式环绕着包围极化子中心的球体，并逐渐从赤道的切向特征演变为两极的径向特征。图片来源：Jon Lafuente-Bartolome、Chao Lian、Feliciano Giustino

“通过这些方法，我们能够考虑从几十万个到近五十万个原子的模拟单元，这是以前从未实现过的，”Lafuente和Giustino说。

“我们的计算导致了几个意想不到的结果。首先，我们发现极化子在卤化物钙钛矿中可以采取许多不同的形式;它们可以非常大，跨越几纳米的长度，也可以非常小，局限于单个铋原子周围。

Lafuente进行的模拟还表明，卤化物钙钛矿中的极化子甚至可以形成周期性畸变，在足够高的密度下表现为电荷密度波。值得注意的是，他们在模拟中观察到的各种类型的极化子似乎是在不同的时间尺度上形成的。

“例如，我们预测，在照明下，首先会形成大的极化子，然后这些极化子会变成小的极化子，”Lafuente和Giustino说。

“我们的预测与现有的超快泵浦探针光谱实验非常吻合。然而，也许最令人惊讶的发现是，卤化物钙钛矿中的极化子带有“扭曲”;极化子周围的原子位移形成涡旋模式，相关的矢量场具有明确定义的拓扑结构，可以用量化的拓扑数来描述。

研究人员发现的拓扑结构与斯格明子、梅隆和布洛赫点的拓扑结构惊人地相似——这三种有趣的准粒子以前在磁系统中观察到过。具有类似于磁性准粒子特性的非磁性极化子的存在以前从未被报道过，因此这项研究可能为未来的研究开辟新的途径，可能导致令人兴奋的发现。

“我们现在渴望追求两个主要方向，”拉富恩特和朱斯蒂诺说。“一方面，即使这些结果描绘了卤化物钙钛矿中极化子的详细原子尺度图片，它们也不能确切地告诉我们这些准粒子如何与光相互作用，或者它们如何在材料中传播。我们希望开发更详细地预测这些极化子的传输和光学特性的方法。

通过开发新的方法来预测卤化物钙钛矿中极化子的光学特性，研究人员希望可靠地预测新的物理现象并解释它们的起源。同时，他们计划探索他们的发现在多大程度上可以推广到不同的材料中。

“拓扑极化子是卤化物钙钛矿独有的，还是也可以在其他材料中形成？”Lafuente和Giustino补充道。

“拓扑极化子的形成需要哪些主要物理成分？我们能否调整材料参数，例如通过应变、化学成分或光，来调整极化子的拓扑电荷和螺旋度？

“这些是我们将来会试图回答的一些更大的问题。最终，拓扑极化子的发现可能会为通过新的非经典自由度操纵量子信息开辟全新的途径。

更多信息：Jon Lafuente-Bartolome 等人，卤化物钙钛矿中的拓扑极化子，《美国国家科学院院刊》（2024 年）。DOI： 10.1073/pnas.2318151121

期刊信息：Proceedings of the National Academy of Sciences