Поляритоны предлагают лучшее из двух очень разных миров. Эти гибридные частицы объединяют свет и молекулы органического материала, что делает их идеальными сосудами для передачи энергии в органических полупроводниках. Они совместимы с современной электроникой, но также быстро перемещаются благодаря своему фотонному происхождению.

Однако их трудно контролировать, и большая часть их поведения остается загадкой.

Проект, возглавляемый Эндрю Массером, доцентом кафедры химии и химической биологии Колледжа искусств и наук, нашел способ настроить скорость этого потока энергии. Этот «дроссель» может перемещать поляритоны из состояния, близкого к остановке, до скорости, приближающейся к скорости света, и увеличивать их дальность — подход, который в конечном итоге может привести к более эффективным солнечным элементам, датчикам и светодиодам.

Статья группы «Настройка когерентного распространения органических экситон-поляритонов посредством делокализации темного состояния» была опубликована 27 апреля в журнале Advanced Science . Ведущий автор — Радж Пандья из Кембриджского университета.

За последние несколько лет Массер и его коллеги из Университета Шеффилда исследовали метод создания поляритонов с помощью крошечных многослойных структур зеркал, называемых микрополостями, которые улавливают свет и заставляют его взаимодействовать с экситонами — подвижными пучками энергии, состоящими из связанная электронно-дырочная пара.

Ранее они показали, как микрополости могут спасать органические полупроводники от «темных состояний», в которых они не излучают свет, что имеет значение для улучшенных органических светодиодов.

Для нового проекта команда использовала серию лазерных импульсов, которые функционировали как сверхбыстрая видеокамера, чтобы в режиме реального времени измерять, как энергия перемещается внутри структур микрорезонатора. Но команда наткнулась на собственный «лежачий полицейский». Поляритоны настолько сложны, что даже интерпретация таких измерений может быть трудным процессом.

«То, что мы обнаружили, было совершенно неожиданным. Мы сидели над данными в течение добрых двух лет, думая о том, что все это значит», — сказал Мюссер, старший автор статьи.

В конце концов исследователи поняли, что, включив больше зеркал и увеличив отражательную способность в резонаторе с микрорезонаторами, они смогли, по сути, «турбировать» поляритоны.

«То, как мы меняли скорость движения этих частиц, до сих пор практически не встречается в литературе», — сказал он. «Но теперь мы не только подтвердили, что размещение материалов в этих структурах может заставить состояния двигаться намного быстрее и намного дальше, но у нас есть рычаг, чтобы фактически контролировать, насколько быстро они движутся. чтобы улучшить их».

По словам Муссера, в типичных органических материалах элементарные возбуждения перемещаются со скоростью порядка 10 нанометров в наносекунду, что примерно эквивалентно скорости чемпиона мира по спринту Усэйна Болта.

Он отметил, что для людей это может быть быстрым, но на самом деле это довольно медленный процесс в наномасштабе.

Подход с микрорезонаторами, напротив, запускает поляритоны в сто тысяч раз быстрее — со скоростью порядка 1% скорости света . В то время как транспорт недолговечен — вместо того, чтобы занять менее наносекунды, он меньше пикосекунды или примерно в 1000 раз короче — поляритоны перемещаются в 50 раз дальше.

«Абсолютная скорость не обязательно важна», — сказал Мюссер. «Что более полезно, так это расстояние. Так что, если они могут перемещаться на сотни нанометров, когда вы миниатюризируете устройство — скажем, с терминалами, которые находятся на расстоянии 10 нанометров друг от друга — это означает, что они будут перемещаться из A в B с нулевыми потерями. И это действительно то, о чем идет речь».

Это еще больше приближает физиков, химиков и материаловедов к их цели — созданию новых, эффективных структур устройств и электроники нового поколения, которые не боятся перегрева.

«Многие технологии, в которых используются экситоны, а не электроны, работают только при криогенных температурах», — сказал Массер. «Но с органическими полупроводниками вы можете начать получать много интересных, захватывающих функций при комнатной температуре. Таким образом, те же самые явления могут использоваться в новых типах лазеров, квантовых симуляторах или даже компьютерах. поляритонных частиц, если мы сможем лучше их понять».