Свет заставляет кристалл течь током экспресс
Кристалл без центра симметрии похож на лестницу, у которой все ступеньки наклонены в одну сторону: электроны, получив толчок от света, скатываются преимущественно в одном направлении. Так рождается постоянный ток — фотогальванический эффект. До сих пор теоретики умели описывать лишь момент поглощения света, но не то, что происходит дальше: как электроны сталкиваются, теряют энергию и в итоге формируют стабильный поток.
Новая работа даёт полную картину. Авторы построили метод, который следит за электронами во времени с учётом всех квантовых столкновений: электроны рассеиваются на колебаниях кристаллической решётки (фононах), переходят между зонами и рекомбинируют с дырками. Для титаната бария, классического пьезоэлектрика, расчёты показали: фононы вносят существенный вклад в сдвиговый ток — ток, возникающий из-за смещения электронных облаков при поглощении фотона.
Метод также объясняет загадку из экспериментов: при сверхкоротких лазерных импульсах фотогальванический ток сначала течёт в одну сторону, потом в другую. Оказалось, такой двухполярный переходный ток возникает из-за того, что фононы по-разному вмешиваются на разных стадиях процесса. Сначала электроны разгоняются светом, а затем решётка постепенно «подстраивается», меняя направление суммарного потока.
Связь тока с геометрией квантовых состояний — кривизной Берри и квантовой метрикой — становится прозрачной. Эти величины описывают, как фаза волновой функции меняется при движении по зоне Бриллюэна, и именно они определяют величину фотогальванического отклика. Практическая польза очевидна: точный расчёт позволит проектировать материалы для солнечных элементов, работающих на объёмном фотогальваническом эффекте, и детекторов терагерцового излучения.
Титанат бария — тот самый материал, из которого делают конденсаторы в большинстве электронных устройств: в каждом смартфоне есть крошечные слои этого кристалла.