Wetenschappers gebruiken polaritonen, die een sprong maken in de overdracht van moleculaire ladingen

Wetenschappers hebben al lang gespeculeerd dat polaritonen – hybriden van licht en materie – kunnen worden benut om fotochemie te beheersen. Nu hebben onderzoekers van de City University of New York (CUNY) aangetoond dat deze vluchtige staten inderdaad een fundamenteel type moleculaire reactie kunnen stimuleren.

De studie, gepubliceerd in Natuurnanotechnologiewerd geleid door natuurkundige Matthew Sfeir en afgestudeerde student Kamyar Rashidi, met aanvullende bijdragen van CUNY-onderzoekers Evripidis Michail, Bernardo Salcido-Santacruz, Yamuna Paudel en Prof. Vinod Menon. Hun team toonde aan dat polaritonen de reacties van ladingoverdracht kunnen bevorderen, waarin elektronen van het ene molecuul naar het andere springen. Dergelijke reacties ondersteunen zonne -energie -apparaten, moleculaire elektronica en veel productieprocessen.

“Normaal gesproken reageren deze reacties alleen op zeer specifieke kleuren van licht,” zei Rashidi, een Ph.D. Kandidaat bij het CUNY Graduate Center en een onderzoeker in de Sfeirlab. “Maar door polaritonen te gebruiken, konden we dat venster verbreden, zodat de moleculen konden reageren onder een breder spectrum van licht.”

Polaritonen vormen zich wanneer fotonen (deeltjes van het licht) zo sterk interageren met excitonen (energietoestanden in moleculen) dat de twee samensmelten tot een nieuwe kwantumentiteit. De vangst is dat polaritonen notoir van korte duur zijn, meestal hun energie vrijgeven voordat ze veel kunnen doen. Om dit te overwinnen, ontwikkelde het team spiegels die licht beperkten op manieren die de polaritonen stabiliseerden voor een paar honderd femtoseconden – nog steeds een fractie van een triljoenste van een seconde, maar lang genoeg om een ​​verschil te maken.

Onder deze omstandigheden hebben de polaritonen de energie verlaagd die nodig is om de elektronenoverdracht met ongeveer een derde te stimuleren.

“Het is iets wat mensen hadden gehoopt, maar heel moeilijk te bewijzen,” zei Sfeir, een faculteitslid bij het CUNY ASRC Photonics Initiative en het CUNY Graduate Center Physics Program. “Ons werk laat zien dat door polariton aangedreven chemie echt is, hoewel nog steeds extreem uitdagend om te controleren.”

De bevindingen kunnen uiteindelijk helpen de mogelijkheden van zonnecellen, moleculaire schakelaars en andere technologieën uit te breiden die afhankelijk zijn van precieze controle van door licht aangedreven reacties. Voorlopig dienen de resultaten als bewijs dat lichtmaterie hybriden een actieve rol kunnen spelen in fotochemie-een stap in de richting van het ontwerpen van reacties die efficiënter, flexibeler en energiebesparend zijn.