Nyt gennembrud viser, hvordan korte lysimpulser ødelægger partikler

Polaritoner er en ejendommelig tilstand, en slags kvasipartikler bestående af del-lys og del-stof, der kan bringe uventede evner til konventionelle kemiske reaktioner. Ny forskning fra Umeå Universitet og andre afslører, at når polaritonerne rammes af meget korte lysimpulser, kollapser de, og fra da vil reaktionen være fuldstændig styret af konventionelle elektroniske overgange. Undersøgelsen er publiceret i Nature Communications .

Stof findes i forskellige former, såsom fast eller væske. Men det kan også tage meget uventede former, som for eksempel når lys og stof mødes i et meget begrænset rum. Det er nemt at indeslutte nogle få stofmolekyler, men for at fange lys er der brug for specielle anordninger, såsom små nano-antenner, der lidt ligner hvordan fortidens tv-antenner fangede et tv-signal. Men meget mindre.

"Da vi kan producere store overflader, dækket af disse antenner og i princippet rettet mod meget praktiske fremtidige opskalerede anvendelser af polaritonisk kemi, er vi meget fascinerede af de hurtige processer, der sker, når disse nye reaktioner finder sted på antennerne. Dette er vigtigt, når vi designer fremtidens nyttige og energieffektive systemer, der arbejder med lys og stof," siger professor Alexandre Dmitriev, Göteborgs Universitet, Sverige.

Omroker kemiske reaktioner

Når først lys er fanget og indespærret af antennen og derefter placeret det samme sted, hvor nogle organiske molekyler er indespærret, dukker mærkelige nye lys-stof-blandede objekter op:"polaritoner". Hvis disse molekyler deltager i nogle kemiske reaktioner, blandes reaktionerne fuldstændigt og kan gå enten meget langsommere eller hurtigere, eller fordi de energier, som sådanne reaktioner sker ved, er forskellige, måske køres på en måde, de ikke skulle køre, og danne nye reaktionsprodukter.

Dette fascinerende felt inden for kemi, kaldet "polaritonisk kemi," åbner og ændrer den måde, vi ser på, hvad der er muligt med kemi. Da polaritoner er delvist lys og delvist stof, kan de studeres ved at bruge lyset selv som informationsbærer om reaktionen, der sker, når polaritonen dannes.

"Pumpe-probe-eksperimenter, der anvender femtosekund-laserkilder afslører dynamik, som ellers ikke er tilgængelige for os. Sådanne undersøgelser bygger bro over vejen til at fremme kemien til det ultrahurtige domæne og lover mange spændende anvendelser fra energihøst til kvanteberegning," siger Joel Kuttruff, University of Konstanz, første forfatter af papiret.

Ødelagt af lysimpulser

Et internationalt hold af forskere fra Sverige, Italien, Tyskland og Luxembourg, eksperter inden for forskellige områder (nano-antenner, organiske molekyler, kvanteteori og ultrahurtig optik), afslører nu, hvad der sker, når meget korte lysimpulser rammer polaritonerne i meget trange rum. Det viser sig, at de hurtigt bliver ødelagt, og så er systemet helt styret af de konventionelle elektroniske overgange i molekylerne i stedet.

"Eksotiske fænomener som fødslen og sammenbruddet af disse blandede stof-lystilstande giver manifestationer af vores verdens iboende kvantemekaniske natur. Disse er på samme tid lovende for nye teknologiske anvendelser i det lange løb og fascinerende ud fra et grundlæggende punkt. af udsigt," siger professor Stefano Corni, University of Padova, Italien.

Dette er meget vigtig viden, når man designer "polaritoniske reaktioner." Reaktioner kan løbe hurtigt, og man kan blive fristet til at bruge så korte lysimpulser til at studere dem, men polaritonernes forsvinden vil i høj grad påvirke de forventede resultater af disse nye reaktioner. Dette arbejde giver en ny dybt grundlæggende forståelse af de involverede processer.

"Det vigtige aspekt af dette arbejde er, at det genbesøger, hvad man troede var velforstået. Det er altid afgørende at uddybe vores eksisterende viden og forbedre vores forståelse. I praksis, ud over ny polaritonisk kemi, tjener dette arbejde også de forskningsmiljøer, der beskæftiger sig med kvante. kemiske systemer, der sigter mod at kontrollere kemiske stoffer og reaktioner på meget kort (femtosekund) tid og meget små (nanometer) størrelsesskalaer," siger Nicolò Maccaferri ved Institut for Fysik ved Umeå Universitet, Sverige og Universitetet i Luxembourg.

Flere oplysninger: Joel Kuttruff et al., Sub-picosecond kollaps af molekylære polaritoner til ren molekylær overgang i plasmoniske fotoswitch-nanoantenner, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39413-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Umea University