Scienziati dell'UC San Diego, Il MIT e l'Università di Harvard hanno progettato "plessitoni topologici, "particelle che trasportano energia che potrebbero aiutare a rendere possibile la progettazione di nuovi tipi di celle solari e circuiti ottici miniaturizzati.

I ricercatori riportano il loro anticipo in un articolo pubblicato nell'attuale numero di Comunicazioni sulla natura .

All'interno del mondo lillipuziano della fisica dello stato solido, luce e materia interagiscono in modi strani, scambiando energia avanti e indietro tra di loro.

"Quando luce e materia interagiscono, si scambiano energia, " ha spiegato Joel Yuen-Zhou, un assistente professore di chimica e biochimica presso l'UC San Diego e il primo autore del documento. "L'energia può fluire avanti e indietro tra la luce in un metallo (il cosiddetto plasmone) e la luce in una molecola (il cosiddetto eccitone). Quando questo scambio è molto più veloce dei rispettivi tassi di decadimento, le loro identità individuali sono perse, ed è più esatto pensarle come particelle ibride; eccitoni e plasmoni si sposano per formare plessitoni."

Gli scienziati dei materiali hanno cercato modi per migliorare un processo noto come trasferimento di energia degli eccitoni, o EET, per creare celle solari migliori e circuiti fotonici miniaturizzati che sono decine di volte più piccoli delle loro controparti in silicio.

"Comprendere i meccanismi fondamentali del miglioramento dell'EET altererebbe il modo in cui pensiamo alla progettazione delle celle solari o i modi in cui l'energia può essere trasportata in materiali su scala nanometrica, " ha detto Yuen-Zhou.

Lo svantaggio con EET, però, è che questa forma di trasferimento di energia è estremamente a corto raggio, sulla scala di soli 10 nanometri, e si dissipa rapidamente quando gli eccitoni interagiscono con molecole diverse.

Una soluzione per evitare queste carenze è ibridare gli eccitoni in un cristallo molecolare con le eccitazioni collettive all'interno dei metalli per produrre plessitoni, che viaggiano per 20, 000 nanometri, una lunghezza che è dell'ordine della larghezza dei capelli umani.

Si prevede che i plexitoni diventeranno parte integrante della prossima generazione di circuiti nanofotonici, architetture a energia solare per la raccolta della luce e dispositivi di catalisi chimica. Ma il problema principale con i plessitoni, disse Yuen-Zhou, è che il loro movimento lungo tutte le direzioni, che rende difficile l'utilizzo corretto di un materiale o di un dispositivo.

Lui e un team di fisici e ingegneri del MIT e di Harvard hanno trovato una soluzione a quel problema ingegnerizzando particelle chiamate "plessitoni topologici, " sulla base dei concetti in cui i fisici dello stato solido sono stati in grado di sviluppare materiali chiamati "isolanti topologici".

"Gli isolanti topologici sono materiali che sono perfetti isolanti elettrici nella massa ma ai loro bordi si comportano come cavi metallici unidimensionali perfetti, " Yuen-Zhou ha detto. "La caratteristica interessante degli isolanti topologici è che anche quando il materiale è imperfetto e ha impurità, c'è una grande soglia di funzionamento in cui gli elettroni che iniziano a viaggiare lungo una direzione non possono rimbalzare, rendendo robusto il trasporto degli elettroni. In altre parole, si può pensare che gli elettroni siano ciechi alle impurità."

Plexcitoni, rispetto agli elettroni, non hanno carica elettrica. Ancora, come hanno scoperto Yuen-Zhou e i suoi colleghi, ereditano ancora queste robuste proprietà direzionali. L'aggiunta di questa caratteristica "topologica" ai plessitoni dà origine alla direzionalità di EET, una caratteristica che i ricercatori non avevano precedentemente concepito. Ciò dovrebbe consentire agli ingegneri di creare interruttori plessotonici per distribuire l'energia in modo selettivo tra i diversi componenti di un nuovo tipo di cella solare o dispositivo di raccolta della luce.