Un equipo de científicos del Laboratorio de Fotónica Híbrida del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo (Skoltech) y la Universidad de Sheffield (Reino Unido) logró un gran avance en la comprensión de la física no lineal de la fuerte interacción de moléculas orgánicas con la luz. Los principios de la interacción intensa entre la materia ligera abren nuevos horizontes para el procesamiento de datos totalmente óptico ultrarrápido y de baja energía. Los hallazgos fueron publicados en Física de las comunicaciones y aparece en la edición de febrero de Física de la naturaleza .

Quizás todo el mundo sepa que la materia orgánica es la piedra angular de la naturaleza viva. En efecto, la interacción entre las moléculas orgánicas y la luz es un proceso fundamental para la fotosíntesis, regulación bioquímica inducida por la luz y muchos otros mecanismos de la naturaleza, haciendo posible nuestra vida en la Tierra. Más allá de ese lado hay docenas de aplicaciones para una variedad de interacciones luz-materia en sistemas orgánicos. Hoy en día, los materiales orgánicos representan una amplia clase de materiales utilizados activamente en dispositivos emisores de luz (LED), en la industria, en electrónica flexible y fabricación de células solares, como sensores fotosensibles y etiquetas biológicas de cáncer, etc. El mercado de LED orgánicos (OLED) en rápido crecimiento es un buen ejemplo que muestra un gran potencial comercial de materiales orgánicos en tecnologías de la vida real.

Laboratorio de Fotónica Híbrida de Skoltech, dirigido por el profesor Pavlos Lagoudakis, se enfoca en desarrollar un nuevo paradigma de optoelectrónica basado en una fuerte interacción entre materiales orgánicos y luz. La diferencia clave con los enfoques convencionales es que la luz (fotones) en tales sistemas se correlaciona fuertemente con las excitaciones electrónicas colectivas en una molécula (excitones), que da lugar a nuevas partículas, a saber, polaritones. Estas partículas entrelazadas de materia ligera heredan la propagación ultrarrápida de la luz y las propiedades electrónicas de los materiales, lo que da como resultado una forma híbrida muy exótica de luz y materia llamada luz líquida.

"¿Esto hace una gran diferencia? Claro que sí, ya que el fuerte acoplamiento luz-materia puede ralentizar la fotodegradación de las moléculas prolongando su vida útil, cambiar el curso de las reacciones fotoquímicas y proporcionar a los fotones la capacidad de interactuar entre sí; esta última característica nos permite desarrollar dispositivos de procesamiento de señales ópticas eficientes, "dice el profesor Pavlos Lagoudakis.

En la actualidad, Las redes de fibra óptica manejan grandes cantidades de datos, pero si uno quiere procesar señales ópticas, la luz debe convertirse en señales eléctricas y viceversa. A diferencia de, Los principios de acoplamiento fuerte ofrecen oportunidades únicas para tecnologías de procesamiento de datos totalmente ópticas con velocidades récord y mejores eficiencias de conversión de energía. La última década ha sido testigo de logros notables en el campo de la polaritónica, recorriendo la gama desde el primer láser de polaritón orgánico hasta la superfluidez a temperatura ambiente y la invención del primer transistor de polaritón orgánico. Vale la pena recordar que Skoltech se ubica como líder mundial en el campo.

Sin embargo, a pesar de los notables avances en este campo, Los mecanismos de las interacciones del polaritón en los sistemas orgánicos han seguido siendo poco comprendidos, lo que ha provocado debates en la comunidad científica. El misterio de las interacciones de polariton finalmente se ha resuelto:la investigación de Skoltech da una respuesta decisiva a esta controvertida pregunta. Los científicos llevaron a cabo un estudio experimental en profundidad que reveló un origen claro de los fenómenos no lineales relacionados con los condensados ​​de polaritones, el estado que consta de cientos e incluso miles de polaritones que comparten las mismas propiedades.

"Nuestros experimentos indican un cambio abrupto en las propiedades espectrales de los condensados ​​de polariton cuando se establecen, que siempre conduce la frecuencia de polaritones hacia valores más altos. Lo encontramos específico para procesos no lineales que ocurren en el sistema. Como a través del cambio de color del metal al calentarlo, se puede acceder a la temperatura, similar, extraemos la no linealidad de los orgánicos mediante un análisis en profundidad de los cambios de frecuencia, "explica el primer autor del artículo, Científico investigador junior en Hybrid Photonics Labs, Dr. Timur Yagafarov.

El estudio experimental exhaustivo acompañado de un análisis de datos exhaustivo favorece el desentraño de las dependencias importantes de las propiedades no lineales del polariton en los parámetros clave de la interacción entre las moléculas orgánicas y la luz.

Los científicos fueron los primeros en descubrir un fuerte impacto de la transferencia de energía entre moléculas vecinas en las propiedades no lineales de los polaritones orgánicos y ahora comprenden los mecanismos subyacentes que impulsan los polaritones en los orgánicos. Con la teoría propuesta, se pueden encontrar los parámetros experimentales necesarios para acoplar varios condensados ​​de polariton en un solo circuito y construir un procesador de señal totalmente óptico de polariton.

Desde un punto de vista fundamental, los nuevos conocimientos pueden ayudar a explicar el fenómeno de la superfluidez de polariton en la materia orgánica.

“Estos hallazgos son de gran interés no solo para nuestra área de investigación, sino que también pueden ser útiles en otros campos. Creo que los mecanismos de no linealidad descubiertos son bastante generales entre los materiales orgánicos, por lo tanto, podría resultar universal para los sistemas orgánicos fuertemente acoplados, "comenta el científico investigador sénior del Laboratorio de Fotónica Híbrida, Dr. Anton Zasedatelev.