Polaritons oferecem o melhor de dois mundos muito diferentes. Essas partículas híbridas combinam luz e moléculas de material orgânico, tornando-as recipientes ideais para transferência de energia em semicondutores orgânicos. Eles são compatíveis com a eletrônica moderna, mas também se movem rapidamente, graças às suas origens fotônicas.
No entanto, eles são difíceis de controlar e muito de seu comportamento é um mistério.

Um projeto liderado por Andrew Musser, professor assistente de química e biologia química na Faculdade de Artes e Ciências, encontrou uma maneira de ajustar a velocidade desse fluxo de energia. Esse "acelerador" pode mover os polaritons de quase parados para algo próximo à velocidade da luz e aumentar seu alcance - uma abordagem que poderia levar a células solares, sensores e LEDs mais eficientes.

O artigo da equipe, "Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization", publicado em 27 de abril na Advanced Science . O autor principal é Raj Pandya, da Universidade de Cambridge.

Ao longo dos últimos anos, Musser e colegas da Universidade de Sheffield exploraram um método de criar polaritons através de pequenas estruturas sanduíche de espelhos, chamadas microcavidades, que prendem a luz e a forçam a interagir com excitons – feixes móveis de energia que consistem em um par elétron-buraco ligado.

Eles mostraram anteriormente como as microcavidades podem resgatar semicondutores orgânicos de "estados escuros" nos quais eles não emitem luz, com implicações para LEDs orgânicos aprimorados.

Para o novo projeto, a equipe usou uma série de pulsos de laser, que funcionavam como uma câmera de vídeo ultrarrápida, para medir em tempo real como a energia se movia dentro das estruturas das microcavidades. Mas a equipe atingiu uma lombada própria. Os polaritons são tão complexos que até mesmo interpretar tais medidas pode ser um processo árduo.

"O que descobrimos foi completamente inesperado. Ficamos sentados nos dados por uns bons dois anos pensando sobre o que tudo isso significava", disse Musser, autor sênior do artigo.

Eventualmente, os pesquisadores perceberam que, incorporando mais espelhos e aumentando a refletividade no ressonador da microcavidade, eles foram capazes de, de fato, turbinar os polaritons.

"A maneira como estávamos mudando a velocidade do movimento dessas partículas ainda é basicamente sem precedentes na literatura", disse ele. "Mas agora, não apenas confirmamos que colocar materiais nessas estruturas pode fazer com que os estados se movam muito mais rápido e muito mais, mas temos uma alavanca para realmente controlar o quão rápido eles vão. Isso nos dá um roteiro muito claro agora sobre como tentar para melhorá-los."

Em materiais orgânicos típicos, as excitações elementares se movem na ordem de 10 nanômetros por nanossegundo, o que é aproximadamente equivalente à velocidade do velocista campeão mundial Usain Bolt, de acordo com Musser.

Isso pode ser rápido para humanos, ele observou, mas na verdade é um processo bastante lento em nanoescala.

A abordagem da microcavidade, por outro lado, lança polaritões cem mil vezes mais rápido - uma velocidade da ordem de 1% da velocidade da luz. Embora o transporte seja de curta duração – em vez de levar menos de um nanossegundo, é menos de picossegundos, ou cerca de 1.000 vezes mais breve – os polaritons se movem 50 vezes mais.

"A velocidade absoluta não é necessariamente importante", disse Musser. "O que é mais útil é a distância. Então, se eles podem viajar centenas de nanômetros, quando você miniaturiza o dispositivo - digamos, com terminais separados por 10 nanômetros - isso significa que eles irão de A a B com perdas zero. E é realmente disso que se trata."

Isso traz físicos, químicos e cientistas de materiais cada vez mais perto de seu objetivo de criar novas e eficientes estruturas de dispositivos e eletrônicos de última geração que não sejam bloqueados pelo superaquecimento.

"Muitas tecnologias que usam excitons em vez de elétrons operam apenas em temperaturas criogênicas", disse Musser. "Mas com semicondutores orgânicos, você pode começar a obter muitas funcionalidades interessantes e excitantes à temperatura ambiente. Assim, esses mesmos fenômenos podem alimentar novos tipos de lasers, simuladores quânticos ou até mesmo computadores. Existem muitas aplicações para esses partículas de polariton se pudermos entendê-las melhor." + Explorar mais

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