Wetenschappers van UC San Diego, MIT en Harvard University hebben "topologische plexcitons, "energiedragende deeltjes die het ontwerp van nieuwe soorten zonnecellen en geminiaturiseerde optische circuits mogelijk zouden kunnen maken.

De onderzoekers rapporteren hun vooruitgang in een artikel gepubliceerd in het huidige nummer van Natuurcommunicatie .

Binnen de lilliputter-wereld van de vastestoffysica, licht en materie werken op vreemde manieren samen, energie heen en weer uitwisselen tussen hen.

"Als licht en materie op elkaar inwerken, ze wisselen energie uit, " legde Joel Yuen-Zhou uit, een assistent-professor scheikunde en biochemie aan UC San Diego en de eerste auteur van het papier. "Energie kan heen en weer stromen tussen licht in een metaal (zogenaamd plasmon) en licht in een molecuul (zogenaamd exciton). Wanneer deze uitwisseling veel sneller is dan hun respectieve vervalsnelheden, hun individuele identiteit gaat verloren, en het is nauwkeuriger om ze als hybride deeltjes te beschouwen; excitonen en plasmonen trouwen om plexcitons te vormen."

Materiaalwetenschappers hebben gezocht naar manieren om een ​​proces te verbeteren dat bekend staat als exciton-energieoverdracht. of EET, om betere zonnecellen te creëren, evenals geminiaturiseerde fotonische circuits die tientallen keren kleiner zijn dan hun siliciumtegenhangers.

"Het begrijpen van de fundamentele mechanismen van EET-verbetering zou de manier veranderen waarop we denken over het ontwerpen van zonnecellen of de manieren waarop energie kan worden getransporteerd in materialen op nanoschaal, ' zei Yuen-Zhou.

Het nadeel met EET, echter, is dat deze vorm van energieoverdracht extreem kortdurend is, op de schaal van slechts 10 nanometer, en verdwijnt snel als de excitonen interageren met verschillende moleculen.

Een oplossing om die tekortkomingen te vermijden is om excitonen in een moleculair kristal te hybridiseren met de collectieve excitaties in metalen om plexcitons te produceren, die reizen voor 20, 000 nanometer, een lengte die in de orde is van de breedte van mensenhaar.

Plexcitons zullen naar verwachting een integraal onderdeel worden van de volgende generatie nanofotonische circuits, licht-oogstende zonne-energie-architecturen en chemische katalyse-apparaten. Maar het grootste probleem met plexcitons, zei Yuen-Zhou, is dat hun beweging in alle richtingen, waardoor het moeilijk is om een ​​materiaal of apparaat goed te gebruiken.

Hij en een team van natuurkundigen en ingenieurs aan het MIT en Harvard vonden een oplossing voor dat probleem door deeltjes te construeren die "topologische plexcitons" worden genoemd. " gebaseerd op de concepten waarin vastestoffysici materialen hebben kunnen ontwikkelen die 'topologische isolatoren' worden genoemd.

"Topologische isolatoren zijn materialen die in de bulk perfecte elektrische isolatoren zijn, maar zich aan hun randen gedragen als perfecte eendimensionale metalen kabels, " zei Yuen-Zhou. "Het opwindende kenmerk van topologische isolatoren is dat zelfs wanneer het materiaal onvolmaakt is en onzuiverheden bevat, er is een hoge werkingsdrempel waarbij elektronen die in één richting beginnen te reizen niet kunnen terugkaatsen, elektronentransport robuust maken. Met andere woorden, men zou kunnen denken dat de elektronen blind zijn voor onzuiverheden."

plexitonen, in tegenstelling tot elektronen, geen elektrische lading hebben. Nog, zoals Yuen-Zhou en zijn collega's ontdekten, ze erven nog steeds deze robuuste directionele eigenschappen. Het toevoegen van deze "topologische" functie aan plexcitons geeft aanleiding tot directionaliteit van EET, een functie die onderzoekers niet eerder hadden bedacht. Dit zou ingenieurs uiteindelijk in staat moeten stellen om plexcitonische schakelaars te maken om energie selectief te verdelen over verschillende componenten van een nieuw soort zonnecel of lichtoogstapparaat.