Polaritonen zijn een bijzondere toestand, een soort quasideeltjes bestaande uit deels licht en deels materie die onverwachte mogelijkheden kunnen bieden voor conventionele chemische reacties. Uit nieuw onderzoek van de Universiteit van Umeå en anderen blijkt dat wanneer de polaritonen worden geraakt door zeer korte lichtpulsen, ze instorten, en vanaf dat moment zal de reactie volledig worden gecontroleerd door conventionele elektronische overgangen. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

Materie bestaat in verschillende vormen, zoals vast of vloeibaar. Maar het kan ook zeer onverwachte vormen aannemen, bijvoorbeeld wanneer licht en materie elkaar ontmoeten in een zeer beperkte ruimte. Het opsluiten van een paar materiemoleculen is eenvoudig, maar om licht op te vangen zijn speciale apparaten nodig, zoals kleine nano-antennes, een beetje vergelijkbaar met de manier waarop tv-antennes uit het verleden een tv-signaal opvingen. Maar veel kleiner.

"Aangezien we grote oppervlakken kunnen produceren, bedekt met deze antennes en in principe gericht op zeer praktische toekomstige opgeschaalde toepassingen van polaritonische chemie, zijn we erg geïntrigeerd door de snelle processen die plaatsvinden wanneer deze nieuwe reacties plaatsvinden op de antennes. Dit is belangrijk bij het ontwerpen van toekomstige nuttige en energie-efficiënte systemen die met licht en materie werken", zegt professor Alexandre Dmitriev, Universiteit van Göteborg, Zweden.

Herschikt chemische reacties

Zodra licht wordt opgevangen en opgesloten door de antenne, en vervolgens op dezelfde plek wordt geplaatst waar sommige organische moleculen zijn opgesloten, verschijnen er vreemde nieuwe licht-materie gemengde objecten:'polaritonen'. Als deze moleculen deelnemen aan bepaalde chemische reacties, worden de reacties compleet anders en kunnen ze veel langzamer of sneller verlopen, of omdat de energieën waarbij dergelijke reacties plaatsvinden anders zijn, misschien op een manier verlopen die ze niet hadden moeten lopen, waardoor nieuwe moleculen ontstaan. reactieproducten.

Dit fascinerende gebied van de chemie, genaamd 'polaritonische chemie', opent en verandert de manier waarop we kijken naar wat mogelijk is met chemie. Omdat polaritonen deels licht en deels materie zijn, kunnen ze worden bestudeerd met behulp van licht zelf als informatiedrager over de reactie die plaatsvindt wanneer het polariton wordt gevormd.

“Pompsonde-experimenten waarbij gebruik wordt gemaakt van femtoseconde-laserbronnen onthullen dynamieken die anders voor ons niet toegankelijk zijn. Dergelijke studies overbruggen de weg naar het bevorderen van de chemie naar het ultrasnelle domein en beloven veel opwindende toepassingen, van het oogsten van energie tot kwantumcomputers”, zegt Joel Kuttruff, Universiteit van Konstanz, eerste auteur van het artikel.

Vernietigd door lichtpulsen

Een internationaal team van onderzoekers uit Zweden, Italië, Duitsland en Luxemburg, experts op verschillende gebieden (nano-antennes, organische moleculen, kwantumtheorie en ultrasnelle optica), onthult nu wat er gebeurt als zeer korte lichtpulsen de polaritonen in zeer beperkte ruimtes raken. Het blijkt dat ze snel worden vernietigd en dat het systeem vervolgens volledig wordt gecontroleerd door de conventionele elektronische overgangen in de moleculen.

‘Exotische verschijnselen zoals de geboorte en ineenstorting van deze gemengde materie-lichttoestanden bieden manifestaties van de intrinsieke kwantummechanische aard van onze wereld. Deze zijn tegelijkertijd veelbelovend voor nieuwe technologische toepassingen op de lange termijn, en fascinerend vanuit een fundamenteel punt. van mening", zegt professor Stefano Corni, Universiteit van Padua, Italië.

Dit is zeer belangrijke kennis bij het ontwerpen van 'polaritonische reacties'. Reacties kunnen snel verlopen en je zou in de verleiding kunnen komen om zulke korte lichtpulsen te gebruiken om ze te bestuderen, maar het verdwijnen van de polaritonen zal de verwachte resultaten van deze nieuwe reacties sterk beïnvloeden. Dit werk biedt een nieuw, diepgaand fundamenteel begrip van de betrokken processen.

"Het belangrijke aspect van dit werk is dat het opnieuw onderzoekt wat men goed begreep. Het is altijd cruciaal om onze bestaande kennis te verdiepen en ons begrip te verbeteren. In de praktijk dient dit werk, naast de nieuwe polaritonische chemie, ook voor de onderzoeksgemeenschappen die zich bezighouden met kwantum chemische systemen, gericht op het beheersen van chemische materie en reacties op zeer korte (femtoseconde) tijd en zeer kleine (nanometer) schaalgroottes", zegt Nicolò Maccaferri van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Umeå, Zweden, en de Universiteit van Luxemburg.

Meer informatie: Joel Kuttruff et al, Sub-picoseconde ineenstorting van moleculaire polaritonen naar pure moleculaire transitie in plasmonische fotoschakelaar-nanoantennes, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39413-5

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Umea Universiteit