Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Polaritons erbjuder det bästa av två väldigt olika världar. Dessa hybridpartiklar kombinerar ljus och molekyler av organiskt material, vilket gör dem till idealiska kärl för energiöverföring i organiska halvledare. De är kompatibla med modern elektronik men rör sig också snabbt, tack vare deras fotoniska ursprung.
Men de är svåra att kontrollera och mycket av deras beteende är ett mysterium.
Ett projekt som leds av Andrew Musser, biträdande professor i kemi och kemisk biologi vid College of Arts and Sciences, har hittat ett sätt att justera hastigheten på detta energiflöde. Denna "gasreglage" kan flytta polaritoner från nästan stillastående till något som närmar sig ljusets hastighet och öka deras räckvidd – ett tillvägagångssätt som så småningom kan leda till effektivare solceller, sensorer och lysdioder.
Teamets artikel, "Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization", publicerades den 27 april i Advanced Science . Huvudförfattare är Raj Pandya från University of Cambridge.
Under de senaste åren har Musser och kollegor vid University of Sheffield utforskat en metod för att skapa polaritoner via små sandwichstrukturer av speglar, kallade mikrohålrum, som fångar ljus och tvingar det att interagera med excitoner – mobila energiknippen som består av en bundet elektron-hålpar.
De har tidigare visat hur mikrohåligheter kan rädda organiska halvledare från "mörka tillstånd" där de inte avger ljus, med implikationer för förbättrade organiska lysdioder.
För det nya projektet använde teamet en serie laserpulser, som fungerade som en ultrasnabb videokamera, för att i realtid mäta hur energin rörde sig i mikrokavitetsstrukturerna. Men laget träffade en egen fartgupp. Polaritoner är så komplexa att till och med tolka sådana mätningar kan vara en mödosam process.
"Det vi hittade var helt oväntat. Vi satt på data i drygt två år och funderade på vad det hela betydde", säger Musser, tidningens seniorförfattare.
Så småningom insåg forskarna att genom att införliva fler speglar och öka reflektionsförmågan i mikrokavitetsresonatorn kunde de i praktiken turboladda polaritonerna.
"Sättet som vi ändrade rörelsehastigheten för dessa partiklar är fortfarande i princip aldrig tidigare skådat i litteraturen," sa han. "Men nu har vi inte bara bekräftat att att lägga in material i dessa strukturer kan få stater att röra sig mycket snabbare och mycket längre, utan vi har en spak för att faktiskt kontrollera hur snabbt de går. Detta ger oss en mycket tydlig färdplan nu för hur vi ska försöka för att förbättra dem."
I typiska organiska material rör sig elementära excitationer i storleksordningen 10 nanometer per nanosekund, vilket ungefär motsvarar hastigheten för världsmästaren Usain Bolts sprinter, enligt Musser.
Det kan vara snabbt för människor, noterade han, men det är faktiskt en ganska långsam process på nanoskala.
Tillvägagångssättet med mikrokavitet, däremot, sänder ut polaritoner hundra tusen gånger snabbare - en hastighet i storleksordningen 1% av ljusets hastighet. Medan transporten är kortlivad – istället för att ta mindre än en nanosekund, är den mindre än pikosekund, eller ungefär 1 000 gånger kortare – flyttar polaritonerna 50 gånger längre.
"Den absoluta hastigheten är inte nödvändigtvis viktig," sa Musser. "Det som är mer användbart är avståndet. Så om de kan resa hundratals nanometer, när du miniatyriserar enheten - säg med terminaler som är 10-tals nanometer ifrån varandra - betyder det att de kommer att gå från A till B utan förluster. Och det är verkligen vad det handlar om."
Detta för fysiker, kemister och materialforskare allt närmare sitt mål att skapa nya, effektiva enhetsstrukturer och nästa generations elektronik som inte hindras av överhettning.
"Många tekniker som använder excitoner snarare än elektroner fungerar bara vid kryogena temperaturer," sa Musser. "Men med organiska halvledare kan du börja uppnå mycket intressant, spännande funktionalitet vid rumstemperatur. Så samma fenomen kan matas in i nya typer av lasrar, kvantsimulatorer eller datorer, till och med. Det finns många applikationer för dessa polaritonpartiklar om vi kan förstå dem bättre." + Utforska vidare
