Ett team av forskare från Hybrid Photonics Laboratory vid Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) och University of Sheffield (Storbritannien) gjorde ett genombrott för att förstå olinjär fysik av den starka interaktionen mellan organiska molekyler och ljus. Principer för stark interaktion med lätt materia öppnar nya horisonter för ultrasnabb och lågenergi helt optisk databehandling. Fynden publicerades i Kommunikationsfysik och presenterades i februarinumret av Naturfysik .

Kanske vet alla att organiskt material är de väsentliga byggstenarna för levande natur. Verkligen, samspelet mellan organiska molekyler och ljus är en avgörande process för fotosyntes, ljusinducerad biokemisk reglering och många andra mekanismer i naturen, gör vårt liv på jorden genomförbart. Bortom den sidan, det finns dussintals applikationer för en mängd olika ljus-interaktioner i organiska system. Nuförtiden representerar organiska material en bred klass av material som aktivt används i ljusemitterande enheter (LED), inom industrin, inom flexibel elektronik och solcellstillverkning, som ljuskänsliga sensorer och biomärkningar av cancer etc. Den snabbt växande marknaden för organiska LED (OLED) är ett bra exempel som visar en stor kommersiell potential för organiska material i verkliga teknologier.

Skoltechs Hybrid Photonics Laboratory, ledd av professor Pavlos Lagoudakis, fokuserar på att utveckla ett nytt paradigm för optoelektronik baserat på stark interaktion mellan organiska material och ljus. Den viktigaste skillnaden från konventionella metoder är att ljus (fotoner) i sådana system blir starkt korrelerat med kollektiva elektroniska excitationer på en molekyl (excitoner), som ger upphov till nya partiklar, nämligen polaritoner. Dessa intrasslade partiklar med lätt materia ärver ultrasnabb spridning av ljus och elektroniska egenskaper hos material, vilket resulterar i en mycket exotisk hybridform av ljus och materia som kallas flytande ljus.

"Gör det här en värld av skillnad? Visst gör det det, eftersom den starka ljus-materia-kopplingen kan bromsa fotonedbrytning av molekyler och förlänga deras livslängd, ändra förloppet av fotokemiska reaktioner och ge fotoner en förmåga att interagera med varandra; den senare funktionen tillåter oss att utveckla effektiva optiska signalbehandlingsenheter, "säger prof Pavlos Lagoudakis.

För närvarande, fiberoptiska nätverk hanterar enorma mängder data men om man vill bearbeta optiska signaler måste ljus omvandlas till elektriska signaler och tillbaka. I kontrast, starka kopplingsprinciper erbjuder unika möjligheter för all-optisk databehandlingsteknik med rekordhastigheter och bättre energiomvandlingseffektivitet. Det senaste decenniet har bevittnat anmärkningsvärda landvinningar inom polaritoniken, köra omfånget från den första organiska polaritonlasern till rumstemperatursuperfluiditet och uppfinning av den första organiska polaritontransistorn. Det är värt att komma ihåg att Skoltech rankas som en global ledare inom området.

Dock, trots anmärkningsvärda framsteg på detta område, Mekanismerna för polariton-interaktioner i organiska system har förblivit dåligt förstådda och underblåst debatter i det vetenskapliga samfundet. Mysteriet med polaritoninteraktioner har äntligen lösts:Skoltechs forskning ger ett avgörande svar på denna kontroversiella fråga. Forskarna genomförde en djupgående experimentell studie som avslöjade ett tydligt ursprung för ickelinjära fenomen relaterade till polaritonkondensat - tillståndet som består av hundratals och till och med tusentals polaritoner som delar samma egenskaper.

"Våra experiment indikerar en abrupt förändring i spektrala egenskaper hos polaritonkondensat när de är etablerade, som alltid driver frekvensen av polaritoner mot högre värden. Vi finner det specifikt för icke-linjära processer som förekommer i systemet. Eftersom man genom förändring av metallfärg vid uppvärmning kan komma åt temperaturen, liknande, vi extraherar olinjäritet hos organiska ämnen med hjälp av djupgående analys av frekvensskiften, " förklarar den första författaren till tidningen, Junior forskare vid Hybrid Photonics Labs, Dr Timur Yagafarov.

Den omfattande experimentella studien åtföljd av en grundlig dataanalys gynnar att reda ut viktiga beroenden av polaritonens olinjära egenskaper på nyckelparametrarna för interaktionen mellan organiska molekyler och ljus.

Forskarna var de första som upptäckte en stark påverkan av energiöverföringen mellan närliggande molekyler på de olinjära egenskaperna hos organiska polaritoner och förstår nu underliggande mekanismer som driver polaritoner i organiska ämnen. Med den föreslagna teorin, man kan hitta de experimentella parametrar som krävs för att koppla flera polaritonkondensat till en enda krets och bygga en polariton helt optisk signalprocessor.

Ur en grundläggande synvinkel, den nya kunskapen kan hjälpa till att förklara fenomenet polaritonsuperfluiditet i organiskt material.

"Dessa resultat är av stort intresse inte bara för vårt forskningsområde utan kan vara till hjälp inom andra områden också. Jag tror att de olinjäritetsmekanismer som upptäckts är ganska generella bland de organiska materialen, därför kan det visa sig vara universellt för starkt kopplade organiska system, " kommenterar senior forskare vid Hybrid Photonics Laboratory, Dr Anton Zasedatelev.