Une équipe de scientifiques du Laboratoire de photonique hybride de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo (Skoltech) et de l'Université de Sheffield (Royaume-Uni) a fait une percée dans la compréhension de la physique non linéaire de l'interaction forte des molécules organiques avec la lumière. Les principes d'interaction forte lumière-matière ouvrent de nouveaux horizons de traitement de données tout optique ultra-rapide et basse énergie. Les résultats ont été publiés dans Physique des communications et présenté dans le numéro de février de Physique de la nature .

Tout le monde sait peut-être que la matière organique est la pierre angulaire de la nature vivante. En effet, l'interaction entre les molécules organiques et la lumière est un processus pivot pour la photosynthèse, la régulation biochimique induite par la lumière et de nombreux autres mécanismes dans la nature, rendre notre vie sur Terre réalisable. Au-delà de ce côté, il existe des dizaines d'applications pour une variété d'interactions lumière-matière dans les systèmes organiques. De nos jours, les matériaux organiques représentent une large classe de matériaux activement utilisés dans les dispositifs électroluminescents (LED), dans l'industrie, dans la fabrication d'électronique flexible et de cellules solaires, comme capteurs photosensibles et biomarqueurs du cancer, etc. Le marché en croissance rapide des LED organiques (OLED) est un bon exemple montrant un grand potentiel commercial des matériaux organiques dans les technologies de la vie réelle.

Laboratoire de photonique hybride de Skoltech, dirigé par le professeur Pavlos Lagoudakis, se concentre sur le développement d'un nouveau paradigme de l'optoélectronique basé sur une interaction forte entre les matériaux organiques et la lumière. La principale différence avec les approches conventionnelles est que la lumière (photons) dans de tels systèmes est fortement corrélée aux excitations électroniques collectives sur une molécule (excitons), qui donne naissance à de nouvelles particules, à savoir les polaritons. Ces particules enchevêtrées de matière légère héritent d'une propagation ultra-rapide de la lumière et des propriétés électroniques des matériaux, ce qui donne une forme hybride très exotique de lumière et de matière appelée lumière liquide.

« Est-ce que cela fait une grande différence ? Bien sûr que oui, car le fort couplage lumière-matière peut ralentir la photodégradation des molécules prolongeant leur durée de vie, changer le cours des réactions photochimiques et donner aux photons la capacité d'interagir les uns avec les autres ; cette dernière caractéristique nous permet de développer des dispositifs de traitement du signal optique efficaces, ", explique le professeur Pavlos Lagoudakis.

Actuellement, les réseaux de fibres optiques gèrent d'énormes quantités de données, mais si l'on veut traiter des signaux optiques, la lumière doit être convertie en signaux électriques et inversement. En revanche, Les principes de couplage fort offrent des opportunités uniques pour les technologies de traitement de données tout optique avec des vitesses record et de meilleures efficacités de conversion d'énergie. La dernière décennie a été témoin de réalisations remarquables dans le domaine de la polaritonique, la gamme allant du premier laser à polariton organique à la superfluidité à température ambiante et l'invention du premier transistor à polariton organique. Il convient de rappeler que Skoltech se classe parmi les leaders mondiaux du domaine.

Cependant, malgré des progrès remarquables dans ce domaine, les mécanismes d'interactions des polaritons dans les systèmes organiques sont restés mal compris, alimentant les débats dans la communauté scientifique. Le mystère des interactions de polaritons est enfin résolu :les recherches de Skoltech apportent une réponse décisive à cette question controversée. Les scientifiques ont mené une étude expérimentale approfondie qui a révélé une origine claire des phénomènes non linéaires liés aux condensats de polaritons, l'état constitué de centaines voire de milliers de polaritons partageant les mêmes propriétés.

"Nos expériences indiquent un changement brusque des propriétés spectrales des condensats de polaritons lorsqu'ils sont établis, qui conduit toujours la fréquence des polaritons vers des valeurs plus élevées. Nous le trouvons spécifique pour les processus non linéaires se produisant dans le système. Comme par le changement de couleur du métal lors du chauffage on peut accéder à la température, de la même manière, nous extrayons la non-linéarité des matières organiques au moyen d'une analyse approfondie des décalages de fréquence, " explique le premier auteur de l'article, Chercheur scientifique junior aux Hybrid Photonics Labs, Dr Timur Yagafarov.

L'étude expérimentale complète accompagnée d'une analyse approfondie des données favorise la mise en évidence des dépendances importantes des propriétés non linéaires du polariton sur les paramètres clés de l'interaction entre les molécules organiques et la lumière.

Les scientifiques ont été les premiers à découvrir un fort impact du transfert d'énergie entre des molécules voisines sur les propriétés non linéaires des polaritons organiques et à comprendre maintenant les mécanismes sous-jacents à l'origine des polaritons dans les matières organiques. Avec la théorie proposée, on peut trouver les paramètres expérimentaux nécessaires pour coupler plusieurs condensats de polaritons en un seul circuit et construire un processeur de signal tout optique à polaritons.

D'un point de vue fondamental, les nouvelles connaissances peuvent aider à expliquer le phénomène de superfluidité de polaritons dans la matière organique.

"Ces résultats sont d'un grand intérêt non seulement pour notre domaine de recherche, mais peuvent également être utiles dans d'autres domaines. Je pense que les mécanismes de non-linéarité découverts sont assez généraux parmi les matériaux organiques, par conséquent, il pourrait s'avérer universel pour les systèmes organiques fortement couplés, " commente le chercheur principal au Laboratoire de photonique hybride, Dr Anton Zasedatelev.