Polaritoner är ett märkligt tillstånd, ett slags kvasipartiklar som består av delvis ljus och delvis materia som kan ge oväntade förmågor till konventionella kemiska reaktioner. Ny forskning från Umeå universitet och andra avslöjar att när polaritonerna träffas av mycket korta ljuspulser kollapsar de, och från och med då kommer reaktionen att vara helt kontrollerad av konventionella elektroniska övergångar. Studien publiceras i Nature Communications .
Materia finns i olika former, som fast eller vätska. Men det kan också ta mycket oväntade former, som till exempel när ljus och materia möts i ett mycket begränsat utrymme. Att begränsa några materiemolekyler är lätt, men för att fånga ljus behövs speciella anordningar, som små nano-antenner, lite likt hur tidigare TV-antenner fångade en TV-signal. Men mycket mindre.
"Eftersom vi kan producera stora ytor, täckta med dessa antenner och, i princip, inriktade på mycket praktiska framtida uppskalade tillämpningar av polaritonkemi, är vi mycket fascinerade av de snabba processer som sker när dessa nya reaktioner äger rum på antennerna. Detta är viktigt när vi designar framtidens användbara och energieffektiva system som arbetar med ljus och materia, säger professor Alexandre Dmitriev, Göteborgs universitet.
När ljus väl fångas in och begränsas av antennen och sedan placeras på samma plats där några organiska molekyler är inneslutna, dyker det upp konstiga nya blandade ljus-materia-objekt:"polaritoner". Om dessa molekyler deltar i vissa kemiska reaktioner, blandas reaktionerna om fullständigt och kan gå antingen mycket långsammare eller snabbare, eller för att energierna vid vilka sådana reaktioner sker är olika, kanske körs på ett sätt som de inte var tänkta att köra, och bilda nya reaktionsprodukter.
Detta fascinerande kemifält, kallat "polaritonisk kemi", öppnar och förändrar hur vi ser på vad som är möjligt med kemi. Eftersom polaritoner är delvis ljus och delvis materia, kan de studeras med ljuset självt som informationsbärare om reaktionen som sker när polaritonen bildas.
"Pumpsondsexperiment som använder femtosekundlaserkällor avslöjar dynamik som annars inte är tillgängliga för oss. Sådana studier överbryggar vägen till att utveckla kemin till den ultrasnabba domänen och lovar många spännande tillämpningar från energiskörd till kvantberäkning", säger Joel Kuttruff, University of Konstanz, första författare till tidningen.
Ett internationellt team av forskare från Sverige, Italien, Tyskland och Luxemburg, experter inom olika områden (nano-antenner, organiska molekyler, kvantteori och ultrasnabb optik), avslöjar nu vad som händer när mycket korta ljuspulser träffar polaritonerna i mycket trånga utrymmen. Det visar sig att de snabbt förstörs och då styrs systemet helt av de konventionella elektroniska övergångarna i molekylerna istället.
"Exotiska fenomen som födelsen och kollapsen av dessa blandade materia-ljustillstånd ger manifestationer av vår världs inneboende kvantmekaniska natur. Dessa är samtidigt lovande för nya tekniska tillämpningar på lång sikt, och fascinerande från en grundläggande punkt ", säger professor Stefano Corni, University of Padova, Italien.
Detta är mycket viktig kunskap när man utformar "polaritoniska reaktioner". Reaktioner kan gå snabbt, och man kan bli frestad att använda så korta ljuspulser för att studera dem, men polaritonernas försvinnande kommer starkt att påverka de förväntade resultaten av dessa nya reaktioner. Detta arbete ger en ny djupt grundläggande förståelse för de involverade processerna.
"Den viktiga aspekten av det här arbetet är att det återbesöker vad man trodde var välförstått. Det är alltid avgörande att fördjupa vår befintliga kunskap och förbättra vår förståelse. I praktiken, bortom ny polaritonkemi, tjänar detta arbete även de forskningsgrupper som arbetar med kvantum. kemiska system, som syftar till att kontrollera kemiska ämnen och reaktioner på mycket kort (femtosekund) tid och mycket små (nanometer) skalor, säger Nicolò Maccaferri vid Fysiska institutionen vid Umeå universitet, Sverige, och universitetet i Luxemburg.
Mer information: Joel Kuttruff et al, Sub-picosecond collapse of molecular polaritons to pure molecular transition in plasmonic photoswitch-nanoantennas, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39413-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Umeå universitet
