I polaritoni sono uno stato peculiare, una sorta di quasi-particelle costituite in parte da luce e in parte da materia che possono conferire capacità inaspettate alle reazioni chimiche convenzionali. Una nuova ricerca dell'Università di Umeå e di altri rivela che quando i polaritoni vengono colpiti da impulsi di luce molto brevi collassano, e da quel momento la reazione sarà completamente controllata dalle transizioni elettroniche convenzionali. Lo studio è pubblicato su Nature Communications .
La materia esiste in varie forme, come solida o liquida. Ma può anche assumere forme inaspettate, come ad esempio quando luce e materia si incontrano in uno spazio molto ristretto. Confinare poche molecole di materia è facile, ma per catturare la luce sono necessari dispositivi speciali, come piccole nano-antenne, un po' simili a come le antenne televisive del passato catturavano un segnale televisivo. Ma molto più piccolo.
"Dato che possiamo produrre grandi superfici, ricoperte da queste antenne e, in linea di principio, mirate a future applicazioni pratiche su larga scala della chimica polaritonica, siamo molto incuriositi dai rapidi processi che avvengono quando queste nuove reazioni hanno luogo sulle antenne. Questo è importante quando progettiamo i futuri sistemi utili ed efficienti dal punto di vista energetico che lavorano con la luce e la materia", afferma il professor Alexandre Dmitriev, Università di Göteborg, Svezia.
Una volta che la luce viene catturata e confinata dall'antenna, e poi posizionata nello stesso punto in cui sono confinate alcune molecole organiche, compaiono nuovi strani oggetti misti luce-materia:i "polaritoni". Se queste molecole prendono parte ad alcune reazioni chimiche, le reazioni vengono completamente rimescolate e possono procedere molto più lentamente o più velocemente, o poiché le energie a cui avvengono tali reazioni sono diverse, forse si svolgono in un modo in cui non avrebbero dovuto correre, formando nuove prodotti di reazione.
Questo affascinante campo della chimica, chiamato "chimica polaritonica", apre e cambia il modo in cui guardiamo a ciò che è possibile fare con la chimica. Poiché i polaritoni sono in parte luce e in parte materia, possono essere studiati utilizzando la luce stessa come vettore di informazioni sulla reazione che avviene quando si forma il polaritone.
"Esperimenti con sonda a pompa che utilizzano sorgenti laser a femtosecondi rivelano dinamiche che altrimenti non sarebbero accessibili a noi. Tali studi aprono la strada all'avanzamento della chimica nel dominio ultraveloce e promettono molte applicazioni interessanti, dalla raccolta di energia al calcolo quantistico", afferma Joel Kuttruff, Università di Costanza, primo autore dell'articolo.
Un team internazionale di ricercatori provenienti da Svezia, Italia, Germania e Lussemburgo, esperti in diversi campi (nano-antenne, molecole organiche, teoria quantistica e ottica ultraveloce), rivela ora cosa succede quando impulsi luminosi molto brevi colpiscono i polaritoni in spazi molto ristretti. Si scopre che vengono distrutti rapidamente e quindi il sistema è invece interamente controllato dalle transizioni elettroniche convenzionali nelle molecole.
"Fenomeni esotici come la nascita e il collasso di questi stati misti di materia e luce forniscono manifestazioni della natura intrinseca della meccanica quantistica del nostro mondo. Questi sono allo stesso tempo promettenti per nuove applicazioni tecnologiche a lungo termine e affascinanti da un punto di vista fondamentale. di vista", afferma il professor Stefano Corni, Università di Padova, Italia.
Questa è una conoscenza molto importante quando si progettano "reazioni polaritoniche". Le reazioni potrebbero essere veloci e si potrebbe essere tentati di utilizzare impulsi luminosi così brevi per studiarle, ma la scomparsa dei polaritoni influenzerà fortemente i risultati attesi di queste nuove reazioni. Questo lavoro fornisce una nuova comprensione profondamente fondamentale dei processi coinvolti.
"L'aspetto importante di questo lavoro è che rivisita ciò che si credeva ben compreso. È sempre fondamentale approfondire la nostra conoscenza esistente e migliorare la nostra comprensione. In pratica, oltre alla nuova chimica polaritonica, questo lavoro serve anche alle comunità di ricerca che si occupano di quantistica sistemi chimici, con l'obiettivo di controllare la materia chimica e le reazioni in tempi molto brevi (femtosecondi) e su scale di dimensioni molto piccole (nanometri)," afferma Nicolò Maccaferri del Dipartimento di Fisica dell'Università di Umeå, Svezia, e dell'Università del Lussemburgo.
Ulteriori informazioni: Joel Kuttruff et al, Collasso sub-picosecondo dei polaritoni molecolari alla transizione molecolare pura in nanoantenne fotoswitch plasmoniche, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39413-5
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Umea
