NYHET Polaritoner är ett märkligt fysiskt tillstånd, en slags kvasi-partiklar som består av delvis ljus och delvis materia, som kan skänka vanliga kemiska reaktioner helt nya egenskaper. Ny forskning från bland annat Umeå universitet visar att när polaritoner utsätts för mycket korta ljuspulser så kollapsar de, och den pågående reaktionen fortsätter därefter styras utifrån konventionella elektroniska övergångar. Studien publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.
Ett internationellt forskarteam utforskar hur polaritoner, en blandning av ljus och materia, reagerar på korta ljuspulser.
BildAlexandre DmitrievMateria finns i olika former, till exempel i fast form eller som vätska. Men materia kan också anta väldigt oväntade former, som till exempel när man låter ljus och materia mötas i ett mycket avgränsat utrymme. Att isolera några molekyler av materia är enkelt, men för att fånga ljus behövs däremot speciell utrustning, små nanoantenner som fungerar ungefär som när gamla tv-antenner fångar in en tv-signal, fast i en mycket mindre skala.
– Eftersom vi kan producera stora ytor täckta med dessa antenner och i princip inriktade på mycket praktiska framtida uppskalade tillämpningar av polaritonisk kemi, är vi mycket fascinerade av de snabba processer 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 ljuset är infångat och har isolerats på en antenn, och sedan placerats i ett inneslutet utrymme tillsammans med några organiska molekyler, så uppstår nya märkliga objekt, en blandning av ljus och materia: "polaritoner". Om dessa nya molekyler deltar i en kemisk reaktion blir reaktionen fullständigt omkastad. Den kan gå mycket långsammare eller snabbare, eller så gör energiskillnaden i reaktionen att den kanske går åt ett håll som den inte alls var tänkt och bildar helt nya reaktionsprodukter.
Detta fascinerande kemiområde, kallat ”polaritonisk kemi”, förändrar vårt sätt att se på vad som är möjligt med kemi. Eftersom polaritoner består av delvis ljus och delvis materia kan de studeras med själva ljuset som informationsbärare under reaktionen när polaritonen bildas.
– Pumpsondsexperiment som använder femtosekund-laserkällor avslöjar dynamik som annars inte är tillgänglig för oss. Sådana studier banar väg för att utveckla kemi till den ultrasnabba domänen och lovar många spännande tillämpningar, från energiskörd till kvantberäkning, säger Joel Kuttruff, University of Konstanz, första författare till den vetenskapliga artikeln.
Ett internationellt team av forskare från Sverige, Italien, Tyskland och Luxemburg som är experter inom olika områden (nanoantenner, 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 därefter styrs systemet helt av de konventionella elektroniska övergångarna i molekylerna istället.
– Exotiska fenomen, som uppkomsten och kollapsen av dessa blandade materia-ljustillstånd, är uttryck för vår världs inneboende kvantmekaniska natur. De är lovande för nya tekniska tillämpningar i det långa loppet och samtidigt fascinerande ur en grundläggande synvinkel, säger professor Stefano Corni, University of Padova, Italien.
Nicolò Maccaferri vid Umeå universitet är en av forskarna bakom studien.
BildHans KarlssonDetta är mycket viktig kunskap när man utformar ”polaritoniska reaktioner”. Reaktioner kan gå snabbt, och man kan bli frestad att använda korta ljuspulser för att studera dem. Men polaritonernas försvinnande kommer att ha stor påverkan på de förväntade resultaten av dessa nya reaktioner. Detta arbete ger en ny djupt grundläggande förståelse för de involverade processerna.
– Den viktiga aspekten av detta arbete är att det granskar ett område man trodde var väl förstått. Det är alltid viktigt att fördjupa vår befintliga kunskap och förbättra vår förståelse. Utöver ny polaritonkemi, är detta arbete i praktiken också till nytta för de forskargrupper som arbetar med kvantkemiska system, med syfte att kontrollera kemisk materia och reaktioner på mycket korta tidsskalor (femtosekund) och mycket små storleksskalor (nanometer), säger Nicolò Maccaferri vid Umeå universitet och Luxemburgs universitet.
Läs mer om Nicolò Maccaferris forskning
Joel Kuttruff, Marco Romanelli Esteban Pedrueza-Villalmanzo, Jonas Allerbeck, Jacopo Fregoni, Valeria Saavedra-Becerril, Joakim Andréasson, Daniele Brida, Alexandre Dmitriev, Stefano Corni och Nicolò Maccaferri. Sub-picosecond collapse of molecular polaritons to pure molecular transition in plasmonic photoswitch-nanoantennas. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39413-5
