Polaritons bieden het beste van twee zeer verschillende werelden. Deze hybride deeltjes combineren licht en moleculen van organisch materiaal, waardoor ze ideale vaten zijn voor energieoverdracht in organische halfgeleiders. Ze zijn compatibel met moderne elektronica, maar bewegen ook snel dankzij hun fotonische oorsprong.

Ze zijn echter moeilijk te controleren en veel van hun gedrag is een mysterie.

Een project onder leiding van Andrew Musser, assistent-professor scheikunde en chemische biologie aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen, heeft een manier gevonden om de snelheid van deze energiestroom af te stemmen. Deze "throttle" kan polaritons van bijna stilstand verplaatsen naar iets dat de lichtsnelheid benadert en hun bereik vergroten - een benadering die uiteindelijk zou kunnen leiden tot efficiëntere zonnecellen, sensoren en LED's.

De paper van het team, "Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization", gepubliceerd op 27 april in Advanced Science . De hoofdauteur is Raj Pandya van de Universiteit van Cambridge.

In de afgelopen jaren hebben Musser en collega's van de Universiteit van Sheffield een methode onderzocht om polaritons te creëren via kleine sandwichstructuren van spiegels, microholtes genaamd, die licht vangen en dwingen om te interageren met excitonen - mobiele energiebundels die bestaan ​​uit een gebonden elektron-gat paar.

Ze lieten eerder zien hoe microholtes organische halfgeleiders kunnen redden uit "donkere toestanden" waarin ze geen licht uitstralen, met implicaties voor verbeterde organische LED's.

Voor het nieuwe project gebruikte het team een ​​reeks laserpulsen, die functioneerden als een ultrasnelle videocamera, om in realtime te meten hoe de energie binnen de microholtestructuren bewoog. Maar het team raakte zelf een verkeersdrempel. Polaritonen zijn zo complex dat zelfs het interpreteren van dergelijke metingen een moeizaam proces kan zijn.

"Wat we vonden was volkomen onverwacht. We hebben ruim twee jaar op de gegevens gezeten om na te denken over wat het allemaal betekende", zegt Musser, hoofdauteur van de krant.

Uiteindelijk realiseerden de onderzoekers zich dat door meer spiegels op te nemen en de reflectiviteit in de microholteresonator te vergroten, ze in feite in staat waren om de polaritonen te turboladen.

"De manier waarop we de snelheid van de beweging van deze deeltjes veranderden, is nog steeds in principe ongekend in de literatuur," zei hij. "Maar nu hebben we niet alleen bevestigd dat het plaatsen van materialen in deze structuren staten veel sneller en veel verder kan laten bewegen, maar we hebben ook een hefboom om daadwerkelijk te bepalen hoe snel ze gaan. Dit geeft ons nu een zeer duidelijke routekaart voor hoe we kunnen proberen om ze te verbeteren."

In typische organische materialen bewegen elementaire excitaties in de orde van 10 nanometer per nanoseconde, wat volgens Musser ongeveer gelijk is aan de snelheid van wereldkampioen sprinter Usain Bolt.

Dat is misschien snel voor mensen, merkte hij op, maar het is eigenlijk een vrij langzaam proces op nanoschaal.

De microcavity-benadering daarentegen lanceert polaritons honderdduizend keer sneller - een snelheid in de orde van 1% van de snelheid van het licht. Hoewel het transport van korte duur is - in plaats van minder dan een nanoseconde te duren, duurt het minder dan picoseconde, of ongeveer 1000 keer korter - bewegen de polaritonen 50 keer verder.

"De absolute snelheid is niet per se belangrijk," zei Musser. "Wat handiger is, is de afstand. Dus als ze honderden nanometers kunnen afleggen, als je het apparaat miniaturiseert, bijvoorbeeld met terminals die tientallen nanometers van elkaar verwijderd zijn, betekent dit dat ze van A naar B gaan zonder verliezen. En daar gaat het echt om."

Dit brengt natuurkundigen, scheikundigen en materiaalwetenschappers steeds dichter bij hun doel:het creëren van nieuwe, efficiënte apparaatstructuren en elektronica van de volgende generatie die niet wordt belemmerd door oververhitting.

"Veel technologieën die excitonen gebruiken in plaats van elektronen, werken alleen bij cryogene temperaturen," zei Musser. "Maar met organische halfgeleiders kun je bij kamertemperatuur veel interessante, opwindende functionaliteit bereiken. Dus dezelfde fenomenen kunnen worden ingevoerd in nieuwe soorten lasers, kwantumsimulators of computers, zelfs. Er zijn veel toepassingen voor deze polaritondeeltjes als we ze beter kunnen begrijpen." + Verder verkennen

Sterke licht-materie koppeling in organische kristallen