Nieuwe doorbraak laat zien hoe korte lichtpulsen deeltjes vernietigen

Polaritonen zijn een eigenaardige toestand, een soort quasi-deeltjes die bestaan ​​uit een deel licht en een deel materie die onverwachte mogelijkheden kunnen bieden aan conventionele chemische reacties. Nieuw onderzoek van Umeå University en anderen onthult 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. De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Materie bestaat in verschillende vormen, zoals vast of vloeibaar. Maar het kan ook heel onverwachte vormen aannemen, bijvoorbeeld wanneer licht en materie elkaar ontmoeten in een zeer kleine ruimte. Het opsluiten van een paar moleculen materie is gemakkelijk, maar voor het opvangen van licht zijn speciale apparaten nodig, zoals kleine nano-antennes, een beetje vergelijkbaar met hoe tv-antennes uit het verleden een tv-signaal opvangen. 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 wanneer we de toekomstige bruikbare en energie-efficiënte systemen ontwerpen die werken met licht en materie”, zegt professor Alexandre Dmitriev, Universiteit van Göteborg, Zweden.

Herschikt chemische reacties

Zodra licht is opgevangen en ingesloten door de antenne, en vervolgens op dezelfde plek is geplaatst waar sommige organische moleculen zijn opgesloten, verschijnen er vreemde nieuwe licht-materie gemengde objecten: “polaritonen”. Als deze moleculen deelnemen aan sommige chemische reacties, worden de reacties volledig herschikt en kunnen ze veel langzamer of sneller gaan, of omdat de energieën waarop dergelijke reacties plaatsvinden anders zijn, misschien lopen op een manier waarop ze niet zouden moeten lopen, waardoor nieuwe moleculen worden gevormd. reactie producten.

Dit fascinerende gebied van de chemie, “polaritonische chemie” genoemd, 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.

“Pump-sonde-experimenten met behulp van femtoseconde laserbronnen onthullen dynamieken die anders niet toegankelijk zijn voor ons. Dergelijke studies slaan de weg naar het bevorderen van chemie naar het ultrasnelle domein en beloven vele opwindende toepassingen van energieoogst tot kwantumcomputing”, 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 raken in zeer kleine ruimtes. Het blijkt dat ze snel worden vernietigd en dat het systeem in plaats daarvan volledig wordt bestuurd door de conventionele elektronische overgangen in de moleculen.

“Exotische fenomenen zoals de geboorte en ineenstorting van deze gemengde materie-lichttoestanden geven 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. “, zegt professor Stefano Corni, Universiteit van Padua, Italië.

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

“Het belangrijke aspect van dit werk is dat het herziet wat goed begrepen werd geacht. Het is altijd cruciaal om onze bestaande kennis te verdiepen en ons begrip te verbeteren. In de praktijk, naast nieuwe polaritonische chemie, dient dit werk 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) schaalgrootte, “zegt Nicolò Maccaferri van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Umeå, Zweden, en de Universiteit van Luxemburg.