Een team van wetenschappers van het Hybrid Photonics Laboratory van het Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) en de University of Sheffield (VK) heeft een doorbraak bereikt in het begrijpen van niet-lineaire fysica van de sterke interactie van organische moleculen met licht. Principes van sterke interactie tussen lichte materie openen nieuwe horizonten voor ultrasnelle en energiezuinige volledig optische gegevensverwerking. De bevindingen zijn gepubliceerd in Communicatie Fysica en te zien in het februarinummer van Natuurfysica .

Misschien weet iedereen wel dat organische stof de essentiële bouwstenen zijn voor de levende natuur. Inderdaad, de interactie tussen organische moleculen en licht is een cruciaal proces voor fotosynthese, door licht geïnduceerde biochemische regulatie en vele andere mechanismen in de natuur, om ons leven op aarde mogelijk te maken. Aan die kant, er zijn tientallen toepassingen voor een verscheidenheid aan licht-materie-interacties in organische systemen. Tegenwoordig vertegenwoordigen organische materialen een brede klasse van materialen die actief worden gebruikt in lichtgevende apparaten (LED), in industrie, in de fabricage van flexibele elektronica en zonnecellen, zoals lichtgevoelige sensoren en bio-labels van kanker enz. De snelgroeiende organische LED-markt (OLED) is een goed voorbeeld van een groot commercieel potentieel van organische materialen in real-life technologieën.

Skoltech's laboratorium voor hybride fotonica, onder leiding van professor Pavlos Lagoudakis, richt zich op het ontwikkelen van een nieuw paradigma van opto-elektronica gebaseerd op een sterke interactie tussen organische materialen en licht. Het belangrijkste verschil met conventionele benaderingen is dat licht (fotonen) in dergelijke systemen sterk gecorreleerd wordt met collectieve elektronische excitaties op een molecuul (excitonen), waardoor nieuwe deeltjes ontstaan, namelijk polaritonen. Deze met licht-materie verstrengelde deeltjes erven ultrasnelle voortplanting van licht en elektronische eigenschappen van materialen, wat resulteert in een zeer exotische hybride vorm van licht en materie die vloeibaar licht wordt genoemd.

"Maakt dit een wereld van verschil? Natuurlijk wel, omdat de sterke koppeling van licht en materie de fotodegradatie van moleculen kan vertragen, waardoor hun levensduur wordt verlengd, het verloop van fotochemische reacties veranderen en fotonen de mogelijkheid bieden om met elkaar in wisselwerking te staan; de laatste functie stelt ons in staat om efficiënte optische signaalverwerkingsapparatuur te ontwikkelen, " zegt prof. Pavlos Lagoudakis.

Momenteel, glasvezelnetwerken verwerken enorme hoeveelheden data, maar wil men optische signalen verwerken dan moet licht worden omgezet in elektrische signalen en weer terug. In tegenstelling tot, sterke koppelingsprincipes bieden unieke kansen voor volledig optische gegevensverwerkingstechnologieën met recordsnelheden en een betere energieconversie-efficiëntie. Het afgelopen decennium is getuige geweest van opmerkelijke prestaties op het gebied van polaritonics, het gamma van de eerste organische polaritonlaser tot superfluïditeit bij kamertemperatuur en de uitvinding van de eerste organische polaritontransistor. Het is de moeite waard eraan te herinneren dat Skoltech een wereldleider is op dit gebied.

Echter, ondanks opmerkelijke vooruitgang op dit gebied, de mechanismen van polariton-interacties in organische systemen zijn nog steeds slecht begrepen en hebben discussies in de wetenschappelijke gemeenschap aangewakkerd. Het mysterie van polariton-interacties is eindelijk opgelost:het onderzoek van Skoltech geeft een beslissend antwoord op deze controversiële vraag. De wetenschappers voerden een diepgaand experimenteel onderzoek uit dat een duidelijke oorsprong aan het licht bracht van niet-lineaire verschijnselen die verband houden met polaritoncondensaten - de toestand die bestaat uit honderden en zelfs duizenden polaritonen met dezelfde eigenschappen.

"Onze experimenten wijzen op een abrupte verschuiving in spectrale eigenschappen van polaritoncondensaten wanneer ze zijn vastgesteld, die altijd de frequentie van polaritonen naar hogere waarden drijft. We vinden het specifiek voor niet-lineaire processen die in het systeem plaatsvinden. Omdat men door verandering van metaalkleur bij verwarming toegang heeft tot de temperatuur, evenzo, we extraheren niet-lineariteit van organische stoffen door middel van diepgaande analyse van de frequentieverschuivingen, " legt de eerste auteur van het artikel uit, Junior Research Scientist bij de Hybrid Photonics Labs, Dr. Timur Jagafarov.

De uitgebreide experimentele studie vergezeld van een grondige data-analyse bevordert het ontrafelen van belangrijke afhankelijkheden van de niet-lineaire polariton-eigenschappen van de belangrijkste parameters van de interactie tussen organische moleculen en licht.

De wetenschappers waren de eersten die een sterke impact van de energieoverdracht tussen naburige moleculen op de niet-lineaire eigenschappen van organische polaritonen ontdekten en begrijpen nu de onderliggende mechanismen die polaritonen in organische stoffen aansturen. Met de voorgestelde theorie men kan de experimentele parameters vinden die nodig zijn om verschillende polaritoncondensaten in een enkel circuit te koppelen en een volledig optische signaalprocessor van polariton te bouwen.

Vanuit een fundamenteel oogpunt, de nieuwe kennis kan helpen om het fenomeen van polariton-superfluïditeit in organisch materiaal te verklaren.

"Deze bevindingen zijn niet alleen van groot belang voor ons onderzoeksgebied, maar kunnen ook nuttig zijn op andere gebieden. Ik geloof dat de ontdekte niet-lineariteitsmechanismen vrij algemeen zijn onder de organische materialen, daarom zou het universeel kunnen blijken te zijn voor sterk gekoppelde organische systemen, " zegt Senior Research Scientist bij het Hybrid Photonics Laboratory, Dr. Anton Zasedatelev.