Поляритоны — это квазичастицы, возникающие в результате сильного взаимодействия между световыми частицами (то есть фотонами) и возбуждёнными состояниями вещества (например, экситонами). За последние несколько лет исследователи обнаружили, что эти квазичастицы могут изменять фундаментальные химические и физические процессы.
Например, исследования показывают, что формирование поляритонов в молекулярных системах может изменять фотоиндуцированный перенос заряда — процесс, при котором поглощённый свет заставляет электрон переходить от молекулы-донора к молекуле-акцептору.
Этот процесс, как известно, играет центральную роль в функционировании различных технологий, включая системы сбора энергии и другие устройства для экологически чистого производства топлива или синтеза специфических химических соединений.
В недавней статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, исследователи из Центра передовых научных исследований при Центре выпускников Городского университета Нью-Йорка впервые экспериментально продемонстрировали прямой, настраиваемый и эффективный перенос заряда, управляемый поляритонами.
Их исследование может открыть новые захватывающие возможности для разработки многих устройств, управляемых химическими реакциями, включая солнечные батареи, фотокатализаторы и оптоэлектронные системы.
Во время реакции переноса заряда, процесса, который команда пыталась реализовать с помощью поляритонов, электроны перемещаются от одной молекулы (то есть донора) к другой (то есть акцептору). Хотя эта химическая реакция уже поддерживает функционирование различных существующих технологий, обычно она включает в себя световые частицы определённого цвета (например, зелёного или красного).
«Мы показываем, что, когда молекулы и световые волны ограничены в малом объёме (например, на поверхности зеркала) и сильно взаимодействуют друг с другом, они образуют новую частицу, называемую поляритоном, которая представляет собой смесь света и вещества», — сказал Мэттью Й. Сфейр, старший автор статьи, в интервью Phys.org.
«В нашей работе мы используем эти поляритоны для настройки фотохимического переноса заряда в более широком спектре света, включая зелёный, красный и инфракрасные волны. Эта идея широко обсуждалась, но до нашего исследования не было окончательно доказано, что это возможно».
Исследователи использовали особый тип поляритонов, известный как поверхностные волны Блоха (BSWP), которые распространяются по поверхности слоистых оптических структур. Уникальные свойства этих квазичастиц, особенно их способность создавать долгоживущие гибридные состояния, оказались идеальными для управления и настройки молекулярного переноса заряда.
«Эффективность многих фотохимических процессов зависит от типа доступного света и от свойств различных молекул, участвующих в реакции», — объяснил Сфейр. «Улучшение и оптимизация этих процессов обычно требуют синтеза множества различных типов молекул с разными свойствами. Нам было интересно, сможем ли мы настроить эти свойства, используя одну и ту же молекулу с разной степенью связи со световыми полями».
Используя тщательно разработанную поляритонную платформу, Сфейр и его коллеги в итоге смогли напрямую управлять реакциями переноса заряда. Их эксперименты также позволили им определить условия, при которых поляритоны могут надёжно участвовать в процессах переноса заряда, что может послужить основой для будущей разработки других платформ для управления этими реакциями с помощью поляритонов.
«Оказывается, очень сложно использовать энергию поляритонов, — сказал Сфейр. — Они хотят высвобождать энергию очень быстро (намного быстрее, чем обычная молекула), и это ограничивает общую эффективность. Мы используем множество специальных приёмов, чтобы это работало, проектируя способ ограничения света».
«Наш вывод заключается в том, что, хотя фотохимия, управляемая поляритонами, возможна, это очень сложно! Тем не менее мы снизили количество энергии, необходимое для запуска фотохимического переноса заряда в молекуле красителя, примерно на 33%».
Результаты этого недавнего исследования подчёркивают потенциал платформ на основе поляритонов для повышения эффективности и настраиваемости реакций переноса заряда. В будущем они могут внести свой вклад в разработку новых типов фотоэлектрических, спинтронных и оптоэлектронных устройств, в которых поляритоны используются для оптимизации переноса молекулярного заряда.