Materia finns i olika former, till exempel i fast form eller som vätska. Men materia kan också ta oväntade former, som till exempel när man låter ljus och materia mötas i ett högst avgränsat utrymme. Att isolera några molekyler av materia är lätt, men för att fånga ljus behövs däremot speciell utrustning, små nanoantenner som fungerar ungefär som hur gamla tv-antenner fångar in en tv-signal, fast på en mycket mindre skala.
– Då vi kan producera stora ytor täckta av dessa antenner, i princip inriktade på mycket praktiska framtida uppskalade tillämpningar av polaritonisk kemi, så är vi mycket fascinerade av de snabba processer som äger rum när dessa nya reaktioner pågår på antennerna. Detta är viktigt när vi designar framtidens användbara och energieffektiva system som arbetar med ljus och materia, säger professor Alexandre Dmitriev, Göteborgs universitet.
Omkastade kemiska reaktioner
När ljuset är infångat och har isolerats på en antenn, och sedan placerats i ett inneslutet utrymme tillsammans med några organiska molekyler, så dyker det upp nya konstiga objekt, en blandning av ljus och materia: "polaritoner". Om dessa nya molekyler deltar i en kemisk reaktion så blir reaktionen fullständigt omkastad. Den kan gå mycket långsammare eller snabbare, eller så gör energiskillnaden i reaktionen att den kanske går åt ett håll som den inte alls var tänkt och bildar helt nya reaktionsprodukter.
Detta fascinerande kemiområde, kallat "polaritonisk kemi", öppnar och förändrar hur vi ser på vad som är möjligt med kemi. Eftersom polaritoner består av delvis ljus och delvis materia så kan de studeras med själva ljuset som informationsbärare under reaktionen när polaritonen bildas.
– Pumpsondsexperiment som använder femtosekund-laserkällor avslöjar dynamik som annars inte är tillgänglig för oss. Sådana studier banar väg för att utveckla kemi till den ultrasnabba domänen och lovar många spännande tillämpningar, från energiskörd till kvantberäkning, säger Joel Kuttruff, University of Konstanz, första författare till artikeln.
Internationellt avslöjande
Ett internationellt team av forskare från Sverige, Italien, Tyskland och Luxemburg, men experter inom olika områden (nanoantenner, organiska molekyler, kvantteori och ultrasnabb optik), avslöjar nu vad som händer när mycket korta ljuspulser träffar polaritonerna i mycket trånga utrymmen. Det visar sig att de snabbt förstörs och därefter styrs systemet helt av de konventionella elektroniska övergångarna i molekylerna istället.
– Exotiska fenomen, som födelsen och kollapsen av dessa blandade materia-ljustillstånd, ger manifestationer av vår världs inneboende kvantmekaniska natur. De är lovande för nya tekniska tillämpningar i det långa loppet och samtidigt fascinerande ur en grundläggande synvinkel, säger Prof. Stefano Corni, University of Padova, Italien.
Detta är mycket viktig kunskap när man utformar "polaritoniska reaktioner". Reaktioner kan gå snabbt, och man kan bli frestad att använda korta ljuspulser för att studera dem. Men polaritonernas försvinnande kommer att ha stor påverkan på de förväntade resultaten av dessa nya reaktioner. Detta arbete ger en ny djupt grundläggande förståelse för de involverade processerna.
– Den viktiga aspekten av detta arbete är att det återbesöker ett område man trodde var väl förstått. Det är alltid avgörande att vi fördjupar vår befintliga kunskap och förbättrar vår förståelse. I praktiken, bortom ny polaritonisk kemi, tjänar detta arbete också de forskningssamhällen som arbetar med kvantkemiska system, med syfte att kontrollera kemisk materia och reaktioner vid mycket kort tidsskala (femtosekund) och mycket liten storleksskala (nanometer), säger Dr. Nicolò Maccaferri, Umeå universitet, Sverige och Luxemburgs universitet, Luxemburg.
Originalartikel: Joel Kuttruff, Marco Romanelli Esteban Pedrueza-Villalmanzo, Jonas Allerbeck, Jacopo Fregoni, Valeria Saavedra-Becerril, Joakim Andréasson, Daniele Brida, Alexandre Dmitriev, Stefano Corni och Nicolò Maccaferri, "Sub-picosecond collapse of pollaritons mole molecular transition in plasmonic photoswitch-nanoantennas” Nature Communications, 10.1038/s41467-023-39413-5 (2023).
För mer information, vänligen kontakta:
Alexandre Dmitriev, professor i fysik, Institutionen för fysik, Göteborgs universitet, telefon: +46 70 842 3819 e-post: alexd@physics.gu.se
https://www.gu.se/en/forskning/nanophotonics-and-nano-optics
Nicolò Maccaferri, biträdande professor i fysik, Fysiska institutionen, Umeå universitet, telefon: +46 90 786 7595, e-post: nicolo.maccaferri@umu.se
https://www.umu.se/en/research/groups/nicolo-maccaferri-lab/
Stefano Corni, professor i fysikalisk kemi, Institutionen för kemiska vetenskaper, Padovas universitet, telefon: +39 049 827 5295, e-post: stefano.corni@unipd.it
