Les scientifiques de l'UC San Diego, Le MIT et l'Université de Harvard ont conçu des « plexcitons topologiques, " des particules porteuses d'énergie qui pourraient aider à rendre possible la conception de nouveaux types de cellules solaires et de circuits optiques miniaturisés.

Les chercheurs rapportent leur avancée dans un article publié dans le numéro actuel de Communication Nature .

Dans le monde lilliputien de la physique du solide, la lumière et la matière interagissent de manière étrange, échangeant de l'énergie entre eux.

"Quand la lumière et la matière interagissent, ils échangent de l'énergie, " a expliqué Joël Yuen-Zhou, professeur adjoint de chimie et de biochimie à l'UC San Diego et premier auteur de l'article. "L'énergie peut circuler entre la lumière dans un métal (appelé plasmon) et la lumière dans une molécule (appelée exciton). Lorsque cet échange est beaucoup plus rapide que leurs taux de désintégration respectifs, leurs identités individuelles sont perdues, et il est plus juste de les considérer comme des particules hybrides; les excitons et les plasmons se marient pour former des plexcitons."

Les scientifiques des matériaux ont cherché des moyens d'améliorer un processus connu sous le nom de transfert d'énergie d'excitons, ou EET, pour créer de meilleures cellules solaires ainsi que des circuits photoniques miniaturisés qui sont des dizaines de fois plus petits que leurs homologues en silicium.

« Comprendre les mécanismes fondamentaux de l'amélioration de l'EET modifierait la façon dont nous pensons concevoir des cellules solaires ou la façon dont l'énergie peut être transportée dans des matériaux à l'échelle nanométrique, " dit Yuen-Zhou.

L'inconvénient avec EET, cependant, est que cette forme de transfert d'énergie est extrêmement courte, à l'échelle de seulement 10 nanomètres, et se dissipe rapidement lorsque les excitons interagissent avec différentes molécules.

Une solution pour éviter ces inconvénients est d'hybrider les excitons dans un cristal moléculaire avec les excitations collectives dans les métaux pour produire des plexcitons, qui voyagent pour 20, 000 nanomètres, une longueur qui est de l'ordre de la largeur d'un cheveu humain.

Les plexcitons devraient faire partie intégrante de la prochaine génération de circuits nanophotoniques, architectures d'énergie solaire de récolte de lumière et dispositifs de catalyse chimique. Mais le principal problème avec les plexcitons, dit Yuen-Zhou, est que leur mouvement dans toutes les directions, ce qui le rend difficile à exploiter correctement dans un matériau ou un appareil.

Lui et une équipe de physiciens et d'ingénieurs du MIT et de Harvard ont trouvé une solution à ce problème en créant des particules appelées "plexcitons topologiques, " sur la base des concepts dans lesquels les physiciens du solide ont pu développer des matériaux appelés "isolants topologiques".

"Les isolants topologiques sont des matériaux qui sont de parfaits isolants électriques dans la masse mais se comportent à leurs bords comme de parfaits câbles métalliques unidimensionnels, " Yuen-Zhou a déclaré. " La caractéristique intéressante des isolants topologiques est que même lorsque le matériau est imparfait et a des impuretés, il y a un grand seuil de fonctionnement où les électrons qui commencent à voyager dans une direction ne peuvent pas rebondir, rendre le transport d'électrons robuste. En d'autres termes, on peut penser que les électrons sont aveugles aux impuretés."

Plexcitons, contrairement aux électrons, n'ont pas de charge électrique. Encore, comme Yuen-Zhou et ses collègues l'ont découvert, ils héritent toujours de ces propriétés directionnelles robustes. L'ajout de cette caractéristique "topologique" aux plexcitons donne lieu à la directionnalité de l'EET, une caractéristique que les chercheurs n'avaient pas encore conçue. Cela devrait à terme permettre aux ingénieurs de créer des commutateurs plexcitoniques pour distribuer l'énergie de manière sélective entre les différents composants d'un nouveau type de cellule solaire ou de dispositif de collecte de lumière.