Uma equipe de cientistas do Laboratório de Fotônica Híbrida do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo (Skoltech) e da Universidade de Sheffield (Reino Unido) fez uma descoberta na compreensão da física não linear da forte interação das moléculas orgânicas com a luz. Princípios de interação de matéria leve forte abrem novos horizontes de processamento de dados totalmente ópticos ultrarrápidos e de baixa energia. Os resultados foram publicados em Física das Comunicações e apresentado na edição de fevereiro da Física da Natureza .

Talvez todos saibam que a matéria orgânica é os blocos de construção essenciais para a natureza viva. De fato, a interação entre as moléculas orgânicas e a luz é um processo fundamental para a fotossíntese, regulação bioquímica induzida por luz e muitos outros mecanismos na natureza, tornando a nossa vida na Terra viável. Além desse lado, existem dezenas de aplicações para uma variedade de interações luz-matéria em sistemas orgânicos. Hoje em dia, os materiais orgânicos representam uma ampla classe de materiais usados ​​ativamente em dispositivos emissores de luz (LED), na industria, em eletrônica flexível e fabricação de células solares, como sensores fotossensíveis e rótulos biológicos de câncer, etc. O mercado de LED orgânico (OLED) em rápido crescimento é um bom exemplo que mostra um grande potencial comercial de materiais orgânicos em tecnologias da vida real.

Laboratório de Fotônica Híbrida da Skoltech, liderado pelo professor Pavlos Lagoudakis, concentra-se no desenvolvimento de um novo paradigma de optoeletrônica baseado na forte interação entre materiais orgânicos e luz. A principal diferença das abordagens convencionais é que a luz (fótons) em tais sistemas fica fortemente correlacionada com excitações eletrônicas coletivas em uma molécula (excitons), que dá origem a novas partículas, ou seja, polaritons. Essas partículas emaranhadas de luz-matéria herdam a propagação ultrarrápida da luz e as propriedades eletrônicas dos materiais, resultando em uma forma híbrida muito exótica de luz e matéria chamada luz líquida.

"Isso faz muita diferença? Claro que faz, como o forte acoplamento luz-matéria pode desacelerar a fotodegradação de moléculas, estendendo sua vida útil, mudar o curso das reações fotoquímicas e fornecer aos fótons a capacidade de interagir uns com os outros; o último recurso nos permite desenvolver dispositivos de processamento óptico de sinais eficientes, "diz o prof. Pavlos Lagoudakis.

Atualmente, as redes de fibra óptica lidam com grandes quantidades de dados, mas se alguém quiser processar sinais ópticos, a luz deve ser convertida em sinais elétricos e vice-versa. Em contraste, os princípios de forte acoplamento oferecem oportunidades únicas para tecnologias de processamento de dados totalmente óticos com velocidades recordes e melhores eficiências de conversão de energia. A última década testemunhou realizações notáveis ​​no campo da polaritônica, percorrendo a gama desde o primeiro laser polariton orgânico até a superfluidez à temperatura ambiente e a invenção do primeiro transistor polariton orgânico. Vale lembrar que a Skoltech é líder global na área.

Contudo, apesar do progresso notável neste campo, os mecanismos das interações polariton em sistemas orgânicos permaneceram mal compreendidos, alimentando debates na comunidade científica. O mistério das interações polariton foi finalmente resolvido:a pesquisa de Skoltech dá uma resposta decisiva a esta questão controversa. Os cientistas realizaram um estudo experimental aprofundado que revelou uma origem clara dos fenômenos não lineares relacionados aos condensados ​​de polariton - o estado consistindo em centenas e até milhares de polaritons compartilhando as mesmas propriedades.

"Nossos experimentos indicam uma mudança abrupta nas propriedades espectrais dos condensados ​​de polariton quando estabelecidos, que sempre direciona a frequência dos polaritons para valores mais altos. Achamos que é específico para processos não lineares que ocorrem no sistema. Como através da mudança da cor do metal durante o aquecimento, pode-se acessar a temperatura, de forma similar, extraímos a não linearidade dos orgânicos por meio de uma análise aprofundada das mudanças de frequência, "explica o primeiro autor do artigo, Cientista pesquisador júnior no Hybrid Photonics Labs, Dr. Timur Yagafarov.

O estudo experimental abrangente acompanhado por uma análise de dados completa favorece desvendar dependências importantes das propriedades não lineares do polariton nos parâmetros-chave da interação entre as moléculas orgânicas e a luz.

Os cientistas foram os primeiros a descobrir um forte impacto da transferência de energia entre moléculas vizinhas nas propriedades não lineares dos polaritons orgânicos e agora compreender os mecanismos subjacentes que conduzem os polaritons nos orgânicos. Com a teoria proposta, pode-se encontrar os parâmetros experimentais necessários para acoplar vários condensados ​​polariton em um único circuito e construir um processador de sinal polariton totalmente óptico.

De um ponto de vista fundamental, o novo conhecimento pode ajudar a explicar o fenômeno da superfluidez polariton na matéria orgânica.

"Essas descobertas são de grande interesse não apenas para nossa área de pesquisa, mas também podem ser úteis em outros campos. Acredito que os mecanismos de não linearidade descobertos são bastante gerais entre os materiais orgânicos, portanto, pode provar ser universal para sistemas orgânicos fortemente acoplados, "comenta Cientista Pesquisador Sênior do Laboratório de Fotônica Híbrida, Dr. Anton Zasedatelev.