Учёные давно предполагали, что поляритоны — гибриды света и материи — могут быть использованы для управления фотохимическими реакциями. Теперь исследователи Городского университета Нью-Йорка (CUNY) показали, что эти мимолетные состояния действительно могут инициировать фундаментальный тип молекулярных реакций.
Исследование, опубликованное в Nature Nanotechnology, было проведено под руководством физика Мэтью Сфейра и аспиранта Камияра Рашиди, при участии исследователей CUNY Эврипидиса Михаила, Бернардо Сальсидо-Сантакруза, Ямуны Паудэл и профессора Винора Менона. Их команда продемонстрировала, что поляритоны могут способствовать реакциям переноса заряда, при которых электроны переходят от одной молекулы к другой. Такие реакции лежат в основе устройств солнечной энергетики, молекулярной электроники и многих производственных процессов.
«Обычно эти реакции реагируют только на очень специфические цвета света», — сказал Рашиди, кандидат наук в Центре выпускников CUNY и исследователь в SfeirLab. «Но используя поляритоны, мы смогли расширить этот диапазон, чтобы молекулы могли реагировать при более широком спектре света».
Поляритоны образуются, когда фотоны (частицы света) взаимодействуют с экситонами (энергетическими состояниями внутри молекул) настолько сильно, что они сливаются в новую квантовую сущность. Сложность заключается в том, что поляритоны имеют короткую продолжительность жизни, обычно высвобождая свою энергию до того, как успеют что-либо сделать. Чтобы преодолеть это, команда разработала зеркала, которые удерживают свет таким образом, что стабилизируют поляритоны на несколько сотен фемтосекунд — всё ещё малая доля триллионной доли секунды, но достаточно долго, чтобы иметь значение.
В этих условиях поляритоны снизили энергию, необходимую для переноса электронов, примерно на треть.
«Это то, что люди надеялись осуществить, но было очень сложно доказать», — сказал Сфейр, сотрудник инициативы CUNY ASRC Photonics и программы физики Центра выпускников CUNY. «Наша работа показывает, что химия, управляемая поляритонами, реальна, хотя всё ещё чрезвычайно сложно поддаётся контролю».
Результаты могут в конечном итоге помочь расширить возможности солнечных элементов, молекулярных переключателей и других технологий, которые полагаются на точный контроль реакций, запускаемых светом. На данный момент результаты служат доказательством того, что гибриды света и материи могут играть активную роль в фотохимии — шаг к разработке более эффективных, гибких и энергосберегающих реакций.
Предоставлено Центром перспективных научных исследований CUNY (CUNY ASRC)