Credito:Pixabay/CC0 di dominio pubblico
Polariton offre il meglio di due mondi molto diversi. Queste particelle ibride combinano luce e molecole di materiale organico, rendendole recipienti ideali per il trasferimento di energia nei semiconduttori organici. Sono compatibili con l'elettronica moderna ma si muovono anche velocemente, grazie alle loro origini fotoniche.
Tuttavia, sono difficili da controllare e gran parte del loro comportamento è un mistero.
Un progetto guidato da Andrew Musser, assistente professore di chimica e biologia chimica al College of Arts and Sciences, ha trovato un modo per regolare la velocità di questo flusso di energia. Questa "accelerazione" può spostare i polaritoni da quasi fermi a qualcosa che si avvicina alla velocità della luce e aumentarne la portata, un approccio che potrebbe portare a celle solari, sensori e LED più efficienti.
Il documento del team, "Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization", pubblicato il 27 aprile su Advanced Science . L'autore principale è Raj Pandya dell'Università di Cambridge.
Negli ultimi anni, Musser e colleghi dell'Università di Sheffield hanno esplorato un metodo per creare polaritoni attraverso minuscole strutture sandwich di specchi, chiamate microcavità, che intrappolano la luce e la costringono a interagire con gli eccitoni, fasci mobili di energia costituiti da un coppia elettrone-lacuna legata.
In precedenza hanno mostrato come le microcavità possono salvare i semiconduttori organici da "stati oscuri" in cui non emettono luce, con implicazioni per LED organici migliorati.
Per il nuovo progetto, il team ha utilizzato una serie di impulsi laser, che funzionava come una videocamera ultraveloce, per misurare in tempo reale come l'energia si muoveva all'interno delle strutture delle microcavità. Ma la squadra ha colpito un proprio dosso. I polaritoni sono così complessi che anche interpretare tali misurazioni può essere un processo arduo.
"Quello che abbiamo scoperto è stato del tutto inaspettato. Ci siamo seduti sui dati per due anni buoni pensando a cosa significassero", ha detto Musser, l'autore senior del giornale.
Alla fine i ricercatori si sono resi conto che incorporando più specchi e aumentando la riflettività nel risonatore a microcavità, erano in grado, in effetti, di sovralimentare i polaritoni.
"Il modo in cui stavamo cambiando la velocità del movimento di queste particelle è ancora sostanzialmente senza precedenti nella letteratura", ha detto. "Ma ora, non solo abbiamo confermato che inserire materiali in queste strutture può far muovere gli stati molto più velocemente e molto più lontano, ma abbiamo una leva per controllare effettivamente la velocità con cui vanno. Questo ci fornisce ora una tabella di marcia molto chiara su come provare per migliorarli."
Nei materiali organici tipici, le eccitazioni elementari si muovono nell'ordine di 10 nanometri per nanosecondo, che è più o meno equivalente alla velocità del velocista campione del mondo Usain Bolt, secondo Musser.
Potrebbe essere veloce per gli esseri umani, ha osservato, ma in realtà è un processo piuttosto lento su scala nanometrica.
L'approccio della microcavità, al contrario, lancia i polaritoni centomila volte più velocemente, una velocità dell'ordine dell'1% della velocità della luce. Sebbene il trasporto sia di breve durata, invece di impiegare meno di un nanosecondo, è meno di picosecondo o circa 1.000 volte più breve, i polaritoni si spostano 50 volte più lontano.
"La velocità assoluta non è necessariamente importante", ha detto Musser. "Ciò che è più utile è la distanza. Quindi, se possono viaggiare per centinaia di nanometri, quando miniaturizzi il dispositivo, ad esempio con terminali distanti 10 nanometri di distanza, significa che andranno da A a B senza perdite. E è proprio di questo che si tratta."
Ciò avvicina fisici, chimici e scienziati dei materiali sempre più al loro obiettivo di creare nuove ed efficienti strutture di dispositivi ed elettronica di prossima generazione che non siano ostacolate dal surriscaldamento.
"Molte tecnologie che utilizzano eccitoni anziché elettroni funzionano solo a temperature criogeniche", ha affermato Musser. "Ma con i semiconduttori organici, puoi iniziare a ottenere molte funzionalità interessanti ed eccitanti a temperatura ambiente. Quindi questi stessi fenomeni possono alimentare nuovi tipi di laser, simulatori quantistici o persino computer. Esistono molte applicazioni per questi particelle di polaritone se riusciamo a capirle meglio". + Esplora ulteriormente
