Los polaritones son un estado peculiar, una especie de cuasipartículas compuestas en parte de luz y en parte de materia que pueden aportar capacidades inesperadas a las reacciones químicas convencionales. Una nueva investigación de la Universidad de Umeå y otros revela que cuando los polaritones son golpeados por pulsos de luz muy cortos, colapsan y, a partir de entonces, la reacción quedará completamente controlada por transiciones electrónicas convencionales. El estudio se publica en Nature Communications. .
La materia existe en varias formas, como sólida o líquida. Pero también puede adoptar formas muy inesperadas, como por ejemplo, cuando la luz y la materia se encuentran en un espacio muy reducido. Confinar unas pocas moléculas de materia es fácil, pero para captar la luz se necesitan dispositivos especiales, como pequeñas nanoantenas, un poco similares a cómo las antenas de televisión del pasado capturaban una señal de televisión. Pero mucho más pequeño.
"Dado que podemos producir grandes superficies cubiertas con estas antenas y, en principio, destinadas a futuras aplicaciones muy prácticas y ampliadas de la química polaritónica, estamos muy intrigados por los rápidos procesos que ocurren cuando estas novedosas reacciones tienen lugar en las antenas. Esto es importante a la hora de diseñar futuros sistemas útiles y energéticamente eficientes que funcionen con luz y materia", afirma el profesor Alexandre Dmitriev, de la Universidad de Gotemburgo, Suecia.
Una vez que la antena captura y confina la luz, y luego la coloca en el mismo lugar donde están confinadas algunas moléculas orgánicas, aparecen nuevos y extraños objetos mixtos de luz y materia:los "polaritones". Si estas moléculas participan en algunas reacciones químicas, las reacciones se reorganizan por completo y pueden ir mucho más lentas o más rápidas, o debido a que las energías a las que ocurren tales reacciones son diferentes, tal vez se desarrollen de una manera en la que no se suponía que debían realizarse, formando nuevas reacciones. productos de reacción.
Este fascinante campo de la química, llamado "química polaritónica", abre y cambia la forma en que vemos lo que es posible con la química. Dado que los polaritones son en parte luz y en parte materia, se pueden estudiar utilizando la luz misma como portadora de información sobre la reacción que ocurre cuando se forma el polaritón.
"Los experimentos con sondas de bomba que emplean fuentes láser de femtosegundo revelan dinámicas que de otro modo no serían accesibles para nosotros. Estos estudios abren el camino para hacer avanzar la química al dominio ultrarrápido y prometen muchas aplicaciones interesantes, desde la recolección de energía hasta la computación cuántica", afirma Joel Kuttruff, de la Universidad de Konstanz, primer autor del artículo.
Un equipo internacional de investigadores de Suecia, Italia, Alemania y Luxemburgo, expertos en diferentes campos (nanoantenas, moléculas orgánicas, teoría cuántica y óptica ultrarrápida), revela ahora qué sucede cuando pulsos de luz muy cortos inciden en los polaritones en espacios muy reducidos. Resulta que se destruyen rápidamente y luego el sistema queda completamente controlado por las transiciones electrónicas convencionales en las moléculas.
"Los fenómenos exóticos como el nacimiento y el colapso de estos estados mixtos de materia y luz son manifestaciones de la naturaleza mecánica cuántica intrínseca de nuestro mundo. Estos son al mismo tiempo prometedores para nuevas aplicaciones tecnológicas a largo plazo y fascinantes desde un punto de vista fundamental. de vista", afirma el profesor Stefano Corni, Universidad de Padua, Italia.
Este es un conocimiento muy importante al diseñar "reacciones polaritónicas". Las reacciones pueden ser rápidas y uno podría verse tentado a utilizar pulsos de luz tan cortos para estudiarlas, pero la desaparición de los polaritones influirá fuertemente en los resultados esperados de estas nuevas reacciones. Este trabajo proporciona una nueva comprensión profundamente fundamental de los procesos involucrados.
"El aspecto importante de este trabajo es que revisa lo que se creía bien comprendido. Siempre es crucial profundizar nuestro conocimiento existente y mejorar nuestra comprensión. En la práctica, más allá de la nueva química polaritónica, este trabajo también sirve a las comunidades de investigación que se ocupan de la cuántica. sistemas químicos, con el objetivo de controlar la materia química y las reacciones en tiempos muy cortos (femtosegundos) y escalas de tamaño muy pequeñas (nanómetros)," dice Nicolò Maccaferri del Departamento de Física de la Universidad de Umeå, Suecia, y la Universidad de Luxemburgo.
Más información: Joel Kuttruff et al, Colapso subpicosegundo de polaritones moleculares a transición molecular pura en nanoantenas fotointerruptores plasmónicos, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39413-5
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Umea
