Un team di scienziati dell'Hybrid Photonics Laboratory presso lo Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) e l'Università di Sheffield (Regno Unito) hanno fatto un passo avanti nella comprensione della fisica non lineare della forte interazione delle molecole organiche con la luce. I principi dell'interazione forte della materia leggera aprono nuovi orizzonti per l'elaborazione di dati completamente ottici ultraveloci ea bassa energia. I risultati sono stati pubblicati in Fisica delle comunicazioni e presentato nel numero di febbraio di Fisica della natura .

Forse tutti sanno che la materia organica è gli elementi costitutivi essenziali per la natura vivente. Infatti, l'interazione tra le molecole organiche e la luce è un processo fondamentale per la fotosintesi, regolazione biochimica indotta dalla luce e molti altri meccanismi in natura, rendere possibile la nostra vita sulla Terra. Al di là di quel lato, ci sono dozzine di applicazioni per una varietà di interazioni luce-materia nei sistemi organici. Oggigiorno i materiali organici rappresentano un'ampia classe di materiali utilizzati attivamente nei dispositivi a emissione di luce (LED), nell'industria, nell'elettronica flessibile e nella fabbricazione di celle solari, come sensori fotosensibili e bio-etichette del cancro, ecc. Il mercato dei LED organici (OLED) in rapida crescita è un buon esempio che mostra un grande potenziale commerciale dei materiali organici nelle tecnologie della vita reale.

Laboratorio di fotonica ibrida di Skoltech, guidato dal professor Pavlos Lagoudakis, si concentra sullo sviluppo di un nuovo paradigma dell'optoelettronica basato su una forte interazione tra materiali organici e luce. La differenza fondamentale rispetto agli approcci convenzionali è che la luce (fotoni) in tali sistemi viene fortemente correlata con le eccitazioni elettroniche collettive su una molecola (eccitoni), che dà origine a nuove particelle, vale a dire polaritoni. Queste particelle entangled di materia leggera ereditano la propagazione ultraveloce della luce e le proprietà elettroniche dei materiali risultando in una forma ibrida molto esotica di luce e materia chiamata luce liquida.

"Questo fa un mondo di differenza? Certo che lo fa, poiché il forte accoppiamento luce-materia può rallentare la fotodegradazione delle molecole allungandone la vita, cambiare il corso delle reazioni fotochimiche e fornire ai fotoni la capacità di interagire tra loro; quest'ultima caratteristica ci permette di sviluppare efficienti dispositivi di elaborazione del segnale ottico, " dice il prof Pavlos Lagoudakis.

Attualmente, le reti in fibra ottica gestiscono enormi quantità di dati, ma se si desidera elaborare segnali ottici, la luce deve essere convertita in segnali elettrici e viceversa. In contrasto, i principi di accoppiamento forte offrono opportunità uniche per tecnologie di elaborazione dati completamente ottiche con velocità record e migliori efficienze di conversione dell'energia. L'ultimo decennio ha visto notevoli risultati nel campo della polaritonics, passando dal primo laser a polaritone organico alla superfluidità a temperatura ambiente e all'invenzione del primo transistor a polaritone organico. Vale la pena ricordare che Skoltech si classifica come leader globale del settore.

Però, nonostante i notevoli progressi in questo campo, i meccanismi delle interazioni del polaritone nei sistemi organici sono rimasti poco compresi alimentando dibattiti nella comunità scientifica. Il mistero delle interazioni dei polaritoni è stato finalmente risolto:la ricerca di Skoltech dà una risposta decisiva a questa controversa domanda. Gli scienziati hanno condotto uno studio sperimentale approfondito che ha rivelato una chiara origine dei fenomeni non lineari legati ai condensati di polaritoni, lo stato costituito da centinaia e persino migliaia di polaritoni che condividono le stesse proprietà.

"I nostri esperimenti indicano un brusco cambiamento nelle proprietà spettrali dei condensati di polaritone quando stabilito, che spinge sempre la frequenza dei polaritoni verso valori più alti. Lo troviamo specifico per i processi non lineari che si verificano nel sistema. Poiché attraverso il cambiamento del colore del metallo al riscaldamento si può accedere alla temperatura, allo stesso modo, estraiamo la non linearità degli organici mediante analisi approfondite degli spostamenti di frequenza, " spiega il primo autore del paper, Ricercatore junior presso i laboratori di fotonica ibrida, Il dottor Timur Yagafarov.

Lo studio sperimentale completo, accompagnato da un'analisi approfondita dei dati, favorisce la scoperta di importanti dipendenze delle proprietà non lineari del polaritone sui parametri chiave dell'interazione tra molecole organiche e luce.

Gli scienziati sono stati i primi a scoprire un forte impatto del trasferimento di energia tra molecole vicine sulle proprietà non lineari dei polaritoni organici e ora comprendono i meccanismi sottostanti che guidano i polaritoni negli organici. Con la teoria proposta, si possono trovare i parametri sperimentali necessari per accoppiare diversi condensati di polaritoni in un singolo circuito e costruire un processore di segnale completamente ottico a polaritoni.

Da un punto di vista fondamentale, le nuove conoscenze possono aiutare a spiegare il fenomeno della superfluidità del polaritone nella materia organica.

"Questi risultati sono di grande interesse non solo per la nostra area di ricerca, ma possono essere utili anche in altri campi. Credo che i meccanismi di non linearità scoperti siano abbastanza generali tra i materiali organici, quindi potrebbe rivelarsi universale per sistemi organici fortemente accoppiati, " commenta Senior Research Scientist presso il Laboratorio di fotonica ibrida, Dott. Anton Zasedatelev.