Forskere knækker mysteriet om flydende lys-interaktioner i organiske materialer

Et team af forskere fra Hybrid Photonics Laboratory ved Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) og University of Sheffield (UK) gjorde et gennembrud i forståelsen af ​​ikke-lineær fysik af den stærke interaktion mellem organiske molekyler og lys. Principper for stærk lysstofinteraktion åbner nye horisonter for ultrahurtig og lavenergi optisk databehandling. Resultaterne blev offentliggjort i Kommunikationsfysik og omtalt i februarnummeret af Naturfysik .

Måske ved alle, at organisk stof er de væsentlige byggesten for levende natur. Ja, samspillet mellem organiske molekyler og lys er en afgørende proces for fotosyntese, lysinduceret biokemisk regulering og mange andre mekanismer i naturen, gør vores liv på Jorden muligt. Ud over den side, der er snesevis af applikationer til en række lys-stof-interaktioner i organiske systemer. I dag repræsenterer organiske materialer en bred klasse af materialer, der aktivt anvendes i lysemitterende enheder (LED), i industrien, i fleksibel elektronik og solcellefremstilling, som lysfølsomme sensorer og biomærker af kræft osv. Det hastigt voksende marked for organisk LED (OLED) er et godt eksempel, der viser et stort kommercielt potentiale af organiske materialer i virkelige teknologier.

Skoltechs Hybrid Photonics Laboratory, ledet af professor Pavlos Lagoudakis, fokuserer på at udvikle et nyt paradigme for optoelektronik baseret på stærk interaktion mellem organiske materialer og lys. Den vigtigste forskel fra konventionelle tilgange er, at lys (fotoner) i sådanne systemer bliver stærkt korreleret med kollektive elektroniske excitationer på et molekyle (excitoner), som giver anledning til nye partikler, nemlig polaritoner. Disse sammenfiltrede partikler med let stof arver ultrahurtig udbredelse af lys og materialers elektroniske egenskaber, hvilket resulterer i en meget eksotisk hybrid form af lys og stof kaldet flydende lys.

"Gør dette en verden til forskel? Selvfølgelig gør det, da den stærke lys-stof-kobling kan bremse fotonedbrydning af molekyler og forlænge deres levetid, ændre forløbet af fotokemiske reaktioner og give fotoner en evne til at interagere med hinanden; sidstnævnte funktion giver os mulighed for at udvikle effektive optiske signalbehandlingsenheder, " siger prof Pavlos Lagoudakis.

I øjeblikket, fiberoptiske netværk håndterer enorme mængder data, men hvis man vil behandle optiske signaler, så skal lys konverteres til elektriske signaler og tilbage. I modsætning, Stærke koblingsprincipper giver unikke muligheder for helt optiske databehandlingsteknologier med rekordhastigheder og bedre energikonverteringseffektivitet. Det sidste årti har været vidne til bemærkelsesværdige resultater inden for polaritonik, kører spektret fra den første organiske polaritonlaser til stuetemperatur-superfluiditet og opfindelsen af ​​den første organiske polariton-transistor. Det er værd at huske på, at Skoltech rangerer som en global leder på området.

Imidlertid, trods bemærkelsesværdige fremskridt på dette område, mekanismerne for polariton-vekselvirkninger i organiske systemer er forblevet dårligt forstået, hvilket giver næring til debatter i det videnskabelige samfund. Mysteriet med polariton-interaktioner er endelig blevet løst:Skoltechs forskning giver et afgørende svar på dette kontroversielle spørgsmål. Forskerne udførte en dybdegående eksperimentel undersøgelse, som afslørede en klar oprindelse af ikke-lineære fænomener relateret til polaritonkondensater - tilstanden bestående af hundreder og endda tusindvis af polaritoner, der deler de samme egenskaber.

"Vores eksperimenter indikerer et brat skift i spektrale egenskaber af polaritonkondensater, når de er etableret, der altid driver frekvensen af ​​polaritoner mod højere værdier. Vi finder det specifikt for ikke-lineære processer, der forekommer i systemet. Da man gennem ændring af metalfarve ved opvarmning kan få adgang til temperaturen, tilsvarende, vi udvinder ikke-linearitet af organiske stoffer ved hjælp af dybdegående analyse af frekvensskiftene, " forklarer den første forfatter af papiret, Juniorforsker ved Hybrid Photonics Labs, Dr. Timur Yagafarov.

Den omfattende eksperimentelle undersøgelse ledsaget af en grundig dataanalyse fremmer afdækning af vigtige afhængigheder af polaritonens ikke-lineære egenskaber på nøgleparametrene for interaktionen mellem organiske molekyler og lys.

Forskerne var de første til at opdage en stærk indvirkning af energioverførsel mellem nabomolekyler på de ikke-lineære egenskaber af organiske polaritoner og forstår nu de underliggende mekanismer, der driver polaritoner i organiske stoffer. Med den foreslåede teori, man kan finde de eksperimentelle parametre, der kræves for at koble flere polaritonkondensater til et enkelt kredsløb og bygge en polariton all-optisk signalprocessor.

Fra et grundlæggende synspunkt, den nye viden kan være med til at forklare fænomenet polariton-superfluiditet i organisk stof.

"Disse resultater er af stor interesse for ikke kun vores forskningsområde, men kan også være nyttige på andre områder. Jeg tror, ​​at de opdagede ikke-linearitetsmekanismer er ret generelle blandt de organiske materialer, derfor kan det vise sig at være universelt for stærkt koblede organiske systemer, " kommenterer seniorforsker ved Hybrid Photonics Laboratory, læge Anton Zasedatelev.