Forskere designer energibærende partikler kaldet topologiske plexcitoner

Forskere ved UC San Diego, MIT og Harvard University har konstrueret "topologiske plexcitoner, "energibærende partikler, der kunne hjælpe med at muliggøre design af nye slags solceller og miniaturiserede optiske kredsløb.

Forskerne rapporterer deres fremskridt i en artikel offentliggjort i det aktuelle nummer af Naturkommunikation .

Inden for den Lilliputske verden af ​​faststoffysik, lys og stof interagerer på mærkelige måder, udveksle energi frem og tilbage mellem dem.

"Når lys og stof interagerer, de udveksler energi, " forklarede Joel Yuen-Zhou, en assisterende professor i kemi og biokemi ved UC San Diego og den første forfatter af papiret. "Energi kan strømme frem og tilbage mellem lys i et metal (såkaldt plasmon) og lys i et molekyle (såkaldt exciton). Når denne udveksling er meget hurtigere end deres respektive henfaldshastigheder, deres individuelle identitet går tabt, og det er mere nøjagtigt at tænke på dem som hybridpartikler; excitoner og plasmoner gifter sig for at danne plexcitoner."

Materialeforskere har ledt efter måder at forbedre en proces kendt som exciton energioverførsel, eller EET, at skabe bedre solceller samt miniaturiserede fotoniske kredsløb, som er snesevis af gange mindre end deres siliciummodstykker.

"At forstå de grundlæggende mekanismer for EET -forbedring ville ændre den måde, vi tænker på design af solceller eller måder, hvorpå energi kan transporteres i nanoskala materialer, " sagde Yuen-Zhou.

Ulempen med EET, imidlertid, er, at denne form for energioverførsel er ekstremt kortdistanceret, på skalaen af ​​kun 10 nanometer, og forsvinder hurtigt, når excitonerne interagerer med forskellige molekyler.

En løsning for at undgå disse mangler er at hybridisere excitoner i en molekylær krystal med de kollektive excitationer i metaller for at producere plexcitoner, som rejser for 20, 000 nanometer, en længde, der er i størrelsesordenen af ​​menneskehårens bredde.

Plexcitoner forventes at blive en integreret del af den næste generation af nanofotoniske kredsløb, lyshøstende solenergiarkitekturer og kemiske katalyseanordninger. Men hovedproblemet med plexcitoner, sagde Yuen-Zhou, er, at deres bevægelse i alle retninger, hvilket gør det svært at udnytte et materiale eller en enhed korrekt.

Han og et team af fysikere og ingeniører ved MIT og Harvard fandt en løsning på det problem ved at konstruere partikler kaldet "topologiske plexcitoner, "baseret på de begreber, hvor fysikere i fast tilstand har været i stand til at udvikle materialer kaldet" topologiske isolatorer ".

"Topologiske isolatorer er materialer, der er perfekte elektriske isolatorer i hovedparten, men ved deres kanter opfører sig som perfekte endimensionelle metalliske kabler, " sagde Yuen-Zhou. "Det spændende ved topologiske isolatorer er, at selv når materialet er uperfekt og har urenheder, der er en stor driftstærskel, hvor elektroner, der begynder at bevæge sig i én retning, ikke kan hoppe tilbage, gør elektrontransport robust. Med andre ord, man kan tænke på, at elektronerne er blinde for urenheder. "

Plexitoner, i modsætning til elektroner, ikke har en elektrisk ladning. Endnu, som Yuen-Zhou og hans kolleger opdagede, de arver stadig disse robuste retningsbestemte egenskaber. Tilføjelse af denne "topologiske" funktion til plexcitoner giver anledning til retningsbestemt EET, en funktion, som forskere ikke tidligere havde udtænkt. Dette skulle i sidste ende gøre det muligt for ingeniører at oprette plexcitoniske switches for selektivt at distribuere energi på tværs af forskellige komponenter i en ny slags solceller eller lyshøstningsanordning.