Polaritons são um estado peculiar, uma espécie de quase-partículas compostas por parte de luz e parte de matéria que podem trazer habilidades inesperadas às reações químicas convencionais. Uma nova pesquisa da Universidade de Umeå e outros revela que quando os polaritons são atingidos por pulsos de luz muito curtos, eles entram em colapso e, a partir de então, a reação será completamente controlada por transições eletrônicas convencionais. O estudo foi publicado na Nature Communications .



A matéria existe em várias formas, como sólida ou líquida. Mas também pode assumir formas muito inesperadas, como por exemplo, quando a luz e a matéria se encontram num espaço muito confinado. Confinar algumas moléculas de matéria é fácil, mas para captar a luz são necessários dispositivos especiais, como pequenas nanoantenas, um pouco semelhantes à forma como as antenas de TV do passado captavam um sinal de TV. Mas muito menor.

"Uma vez que podemos produzir grandes superfícies, cobertas com estas antenas e, em princípio, destinadas a futuras aplicações muito práticas e ampliadas da química polaritónica, estamos muito intrigados com os processos rápidos que acontecem quando estas novas reações ocorrem nas antenas. Isto é importante quando concebemos os futuros sistemas úteis e energeticamente eficientes que trabalham com luz e matéria", afirma o professor Alexandre Dmitriev, da Universidade de Gotemburgo, na Suécia.

Reembaralha as reações químicas

Uma vez que a luz é capturada e confinada pela antena, e então colocada no mesmo local onde algumas moléculas orgânicas estão confinadas, aparecem novos objetos estranhos misturados com luz e matéria:"polaritons". Se essas moléculas participam de algumas reações químicas, as reações são completamente reorganizadas e podem ser muito mais lentas ou mais rápidas, ou porque as energias nas quais tais reações acontecem são diferentes, talvez ocorram de uma forma que não deveriam ocorrer, formando novas produtos de reação.

Este fascinante campo da química, denominado “química polaritônica”, abre e muda a maneira como vemos o que é possível com a química. Como os polaritons são parte luz e parte matéria, eles podem ser estudados usando a própria luz como portadora de informações sobre a reação que ocorre quando o polariton é formado.

"Experiências com sondas de bomba empregando fontes de laser de femtosegundo revelam dinâmicas que de outra forma não seriam acessíveis para nós. Esses estudos abrem caminho para o avanço da química para o domínio ultrarrápido e prometem muitas aplicações interessantes, desde a coleta de energia até a computação quântica", diz Joel Kuttruff, Universidade de Konstanz, primeiro autor do artigo.

Destruído por pulsos de luz

Uma equipa internacional de investigadores da Suécia, Itália, Alemanha e Luxemburgo, especialistas em diferentes áreas (nano-antenas, moléculas orgânicas, teoria quântica e óptica ultrarrápida), revela agora o que acontece quando pulsos de luz muito curtos atingem os polaritons em espaços muito confinados. Acontece que eles são rapidamente destruídos e então o sistema é inteiramente controlado pelas transições eletrônicas convencionais nas moléculas.

"Fenômenos exóticos, como o nascimento e o colapso desses estados mistos de matéria-luz, fornecem manifestações da natureza intrínseca da mecânica quântica do nosso mundo. Estes são ao mesmo tempo promissores para novas aplicações tecnológicas no longo prazo e fascinantes do ponto de vista fundamental. de vista", diz o professor Stefano Corni, da Universidade de Pádua, Itália.

Este é um conhecimento muito importante ao projetar “reações polaritônicas”. As reações podem ocorrer rapidamente e pode-se ficar tentado a usar pulsos de luz tão curtos para estudá-las, mas o desaparecimento dos polaritons influenciará fortemente os resultados esperados dessas novas reações. Este trabalho fornece uma nova compreensão profundamente fundamental dos processos envolvidos.

"O aspecto importante deste trabalho é que ele revisita o que se acreditava ser bem compreendido. É sempre crucial aprofundar nosso conhecimento existente e melhorar nossa compreensão. Na prática, além da nova química polaritônica, este trabalho também serve para as comunidades de pesquisa que lidam com quântica sistemas químicos, com o objetivo de controlar matéria química e reações em tempos muito curtos (femtossegundos) e escalas de tamanho muito pequenas (nanômetros), "diz Nicolò Maccaferri, do Departamento de Física da Universidade de Umeå, na Suécia, e da Universidade de Luxemburgo.

Mais informações: Joel Kuttruff et al, Colapso sub-picossegundo de polaritons moleculares para transição molecular pura em nanoantenas fotossensíveis plasmônicas, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39413-5
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Umea