Forskare vid UC San Diego, MIT och Harvard University har konstruerat "topologiska plexitoner, "energibärande partiklar som kan hjälpa till att möjliggöra utformningen av nya typer av solceller och miniatyriserade optiska kretsar.

Forskarna rapporterar sina framsteg i en artikel publicerad i det aktuella numret av Naturkommunikation .

Inom den Lilliputiska världen av fasta tillståndets fysik, ljus och materia samverkar på konstiga sätt, utbyter energi fram och tillbaka mellan dem.

"När ljus och materia interagerar, de utbyter energi, " förklarade Joel Yuen-Zhou, en biträdande professor i kemi och biokemi vid UC San Diego och den första författaren till uppsatsen. "Energi kan flöda fram och tillbaka mellan ljus i en metall (så kallad plasmon) och ljus i en molekyl (så kallad exciton). När detta utbyte är mycket snabbare än deras respektive sönderfallshastigheter, deras individuella identiteter går förlorade, och det är mer korrekt att tänka på dem som hybridpartiklar; excitoner och plasmoner gifter sig för att bilda plexcitoner."

Materialforskare har letat efter sätt att förbättra en process som kallas excitonenergiöverföring, eller EET, att skapa bättre solceller samt miniatyriserade fotoniska kretsar som är dussintals gånger mindre än sina motsvarigheter i kisel.

"Att förstå de grundläggande mekanismerna för EET-förbättring skulle förändra vårt sätt att tänka på att designa solceller eller sätten på vilka energi kan transporteras i material i nanoskala, sa Yuen-Zhou.

Nackdelen med EET, dock, är att denna form av energiöverföring är extremt kortvarig, på en skala av endast 10 nanometer, och försvinner snabbt när excitonerna interagerar med olika molekyler.

En lösning för att undvika dessa brister är att hybridisera excitoner i en molekylär kristall med de kollektiva excitationerna inom metaller för att producera plexcitoner, som reser för 20, 000 nanometer, en längd som är i storleksordningen av människohårens bredd.

Plexcitoner förväntas bli en integrerad del av nästa generation av nanofotoniska kretsar, ljusskördande solenergiarkitekturer och kemiska katalysanordningar. Men huvudproblemet med plexcitoner, sa Yuen-Zhou, är att deras rörelse längs alla riktningar, vilket gör det svårt att använda ett material eller en enhet på rätt sätt.

Han och ett team av fysiker och ingenjörer vid MIT och Harvard hittade en lösning på det problemet genom att konstruera partiklar som kallas "topologiska plexcitoner, " baserat på de koncept där fasta tillståndsfysiker har kunnat utveckla material som kallas "topologiska isolatorer."

"Topologiska isolatorer är material som är perfekta elektriska isolatorer i huvuddelen men i sina kanter beter sig som perfekta endimensionella metallkablar, " Yuen-Zhou sa. "Det spännande med topologiska isolatorer är att även när materialet är ofullkomligt och har föroreningar, det finns en stor drifttröskel där elektroner som börjar färdas i en riktning inte kan studsa tillbaka, gör elektrontransport robust. Med andra ord, man kan tänka på att elektronerna är blinda för föroreningar."

Plexcitons, i motsats till elektroner, inte har en elektrisk laddning. Än, som Yuen-Zhou och hans kollegor upptäckte, de ärver fortfarande dessa robusta riktningsegenskaper. Att lägga till denna "topologiska" funktion till plexcitoner ger upphov till riktning av EET, en funktion som forskare inte tidigare hade tänkt ut. Detta bör så småningom göra det möjligt för ingenjörer att skapa plexitoniska switchar för att distribuera energi selektivt över olika komponenter i en ny typ av solcell eller ljusupptagningsanordning.