ایتاکا، نیویورک – پولاریتون ها بهترین های دو دنیای بسیار متفاوت را ارائه می دهند. این ذرات ترکیبی نور و مولکول‌های مواد آلی را با هم ترکیب می‌کنند و آنها را به مخازن ایده‌آلی برای انتقال انرژی در نیمه‌رساناهای آلی تبدیل می‌کنند. آنها هر دو با الکترونیک مدرن سازگار هستند، اما به لطف منشأ فوتونیک خود، به سرعت حرکت می کنند.
با این حال، کنترل آنها دشوار است و بسیاری از رفتارهای آنها یک راز است.
پروژه ای به رهبری اندرو موسر، استادیار شیمی و زیست شناسی شیمیایی در کالج علوم و هنر، راهی برای تنظیم سرعت این جریان انرژی پیدا کرده است. این “دریچه گاز” می تواند پلاریتون ها را از حالت سکون نزدیک به چیزی نزدیک به سرعت نور حرکت دهد و برد آنها را افزایش دهد – رویکردی که در نهایت می تواند منجر به سلول های خورشیدی، حسگرها و LED های کارآمدتر شود.
مقاله این تیم، “تنظیم انتشار منسجم اکسایتون-پلاریتون های آلی از طریق جابجایی حالت تاریک”، منتشر شده در Advanced Science . نویسنده اصلی راج پاندیا از دانشگاه کمبریج است.
طی چند سال گذشته، موسر و همکارانش در دانشگاه شفیلد روشی را برای ایجاد پلاریتون‌ها از طریق ساختارهای ساندویچی کوچک آینه‌ها، به نام ریزحفره‌ها، کشف کرده‌اند که نور را به دام می‌اندازند و آن را مجبور می‌کنند تا با اکسیتون‌ها تعامل داشته باشد – بسته‌های متحرک انرژی که شامل یک جفت الکترون-حفره محدود
آنها قبلاً نشان دادند که چگونه ریزحفره ها می توانند نیمه هادی های آلی را از “حالت های تاریک” که در آن نور ساطع نمی کنند، نجات دهند، و این امر برای ال ای دی های آلی بهبود یافته نیز کاربرد دارد.
برای پروژه جدید، تیم از مجموعه ای از پالس های لیزری استفاده کرد که مانند یک دوربین فیلمبرداری فوق سریع عمل می کرد تا در زمان واقعی نحوه حرکت انرژی در ساختارهای ریزحفره را اندازه گیری کند. اما تیم خود به یک سرعت گیر برخورد کرد. پلاریتون‌ها آنقدر پیچیده هستند که حتی تفسیر چنین اندازه‌گیری‌هایی می‌تواند فرآیندی دشوار باشد.
«آنچه ما پیدا کردیم کاملاً غیرمنتظره بود. موسر، نویسنده ارشد مقاله، گفت: ما دو سال خوب روی داده‌ها نشستیم و به معنای همه آن فکر کردیم.
سرانجام محققان دریافتند که با گنجاندن آینه های بیشتر و افزایش بازتابش در تشدید کننده ریزحفره، در واقع توانستند پلاریتون ها را توربو شارژ کنند.
او گفت: «روشی که ما در حال تغییر سرعت حرکت این ذرات بودیم، هنوز اساساً در ادبیات بی‌سابقه است. اما اکنون، نه تنها تأیید کرده‌ایم که قرار دادن مواد در این ساختارها می‌تواند باعث شود دولت‌ها بسیار سریع‌تر و بسیار بیشتر حرکت کنند، بلکه اهرمی برای کنترل سرعت حرکت آنها در اختیار داریم. این به ما یک نقشه راه بسیار واضح در حال حاضر برای چگونگی تلاش برای بهبود آنها می دهد.
به گفته موسر، در مواد آلی معمولی، تحریکات اولیه حدود 10 نانومتر در هر نانوثانیه حرکت می‌کنند که تقریباً معادل سرعت یوسین بولت قهرمان جهان است.
او اشاره کرد که ممکن است برای انسان سریع باشد، اما در واقع یک فرآیند بسیار کند در مقیاس نانو است.
در مقابل، رویکرد ریزحفره‌ای، پلاریتون‌ها را صدها هزار برابر سریع‌تر پرتاب می‌کند – سرعتی در حدود یک درصد سرعت نور. در حالی که عمر انتقال کوتاه است – به جای اینکه کمتر از یک نانوثانیه طول بکشد، کمتر از پیکوثانیه یا حدود 1000 بار کوتاهتر است – پلاریتون ها 50 برابر جلوتر حرکت می کنند.
موسر گفت: «سرعت مطلق لزوماً مهم نیست. «آنچه مفیدتر است فاصله است. بنابراین اگر آنها می توانند صدها نانومتر را طی کنند، وقتی دستگاه را کوچک می کنید – مثلاً با پایانه هایی که 10 نانومتر از هم فاصله دارند – به این معنی است که آنها از A به B با تلفات صفر می روند. و واقعاً موضوع همین است.»
این امر فیزیکدانان، شیمی‌دانان و دانشمندان مواد را به هدفشان برای ایجاد ساختارهای جدید و کارآمد دستگاه و نسل بعدی الکترونیکی نزدیک‌تر می‌کند که با گرمای بیش از حد متوقف نمی‌شوند.
موسر می‌گوید: «بسیاری از فناوری‌هایی که از اکسیتون‌ها به جای الکترون‌ها استفاده می‌کنند، فقط در دماهای برودتی کار می‌کنند. “اما با نیمه هادی های آلی، می توانید شروع به دستیابی به بسیاری از عملکردهای جالب و هیجان انگیز در دمای اتاق کنید. بنابراین همین پدیده‌ها می‌توانند به انواع جدیدی از لیزرها، شبیه‌سازهای کوانتومی یا رایانه‌ها وارد شوند. اگر بتوانیم آنها را بهتر درک کنیم، کاربردهای زیادی برای این ذرات پلاریتون وجود دارد.
نویسندگان همکار عبارتند از اسکات رنکن، MS ’21 از گروه Musser. و محققان دانشگاه کمبریج، دانشگاه شفیلد و دانشگاه نانجینگ.
این تحقیق توسط شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی در بریتانیا، دانشگاه کمبریج و وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی شد.
– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه کرنل منتشر شد