Les polaritons sont un état particulier, une sorte de quasi-particules constituées en partie de lumière et en partie de matière qui peuvent apporter des capacités inattendues aux réactions chimiques conventionnelles. De nouvelles recherches de l’Université d’Umeå et d’autres révèlent que lorsque les polaritons sont frappés par de très courtes impulsions lumineuses, ils s’effondrent et, à partir de ce moment, la réaction sera entièrement contrôlée par des transitions électroniques conventionnelles. L'étude est publiée dans Nature Communications .
La matière existe sous diverses formes, comme solide ou liquide. Mais cela peut aussi prendre des formes très inattendues, comme par exemple lorsque la lumière et la matière se rencontrent dans un espace très confiné. Confiner quelques molécules de matière est facile, mais pour capter la lumière, des dispositifs spéciaux sont nécessaires, tels que de petites nano-antennes, un peu similaires à la manière dont les antennes de télévision du passé capturaient un signal de télévision. Mais beaucoup plus petit.
"Puisque nous pouvons produire de grandes surfaces recouvertes de ces antennes et, en principe, destinées à de futures applications très pratiques de la chimie polaritonique, nous sommes très intrigués par les processus rapides qui se produisent lorsque ces nouvelles réactions ont lieu sur les antennes. Ceci est important lorsque nous concevons les futurs systèmes utiles et économes en énergie fonctionnant avec la lumière et la matière", déclare le professeur Alexandre Dmitriev, Université de Göteborg, Suède.
Une fois la lumière captée et confinée par l'antenne, puis placée au même endroit où certaines molécules organiques sont confinées, d'étranges nouveaux objets mixtes lumière-matière apparaissent :les « polaritons ». Si ces molécules participent à certaines réactions chimiques, les réactions sont complètement remaniées et peuvent être beaucoup plus lentes ou plus rapides, ou parce que les énergies auxquelles de telles réactions se produisent sont différentes, elles peuvent se dérouler d'une manière qu'elles n'étaient pas censées se dérouler, formant ainsi de nouvelles réactions. produits de réaction.
Ce domaine fascinant de la chimie, appelé « chimie polaritonique », ouvre et change notre façon de voir les possibles de la chimie. Puisque les polaritons sont en partie de lumière et en partie de matière, ils peuvent être étudiés en utilisant la lumière elle-même comme support d'informations sur la réaction qui se produit lorsque le polariton est formé.
"Les expériences pompe-sonde utilisant des sources laser femtoseconde révèlent des dynamiques qui ne nous seraient pas accessibles autrement. De telles études permettent de faire progresser la chimie vers le domaine ultrarapide et promettent de nombreuses applications passionnantes, de la récupération d'énergie à l'informatique quantique", déclare Joel Kuttruff, Université de Constance, premier auteur de l'article.
Une équipe internationale de chercheurs suédois, italiens, allemands et luxembourgeois, experts dans différents domaines (nano-antennes, molécules organiques, théorie quantique et optique ultrarapide), révèle désormais ce qui se passe lorsque de très courtes impulsions lumineuses frappent les polaritons dans des espaces très confinés. Il s'avère qu'ils sont rapidement détruits et que le système est alors entièrement contrôlé par les transitions électroniques conventionnelles dans les molécules.
"Des phénomènes exotiques tels que la naissance et l'effondrement de ces états mixtes matière-lumière fournissent des manifestations de la nature mécanique quantique intrinsèque de notre monde. Ils sont à la fois prometteurs pour de nouvelles applications technologiques à long terme et fascinants d'un point de vue fondamental. de vue", déclare le professeur Stefano Corni, Université de Padoue, Italie.
Il s’agit d’une connaissance très importante lors de la conception de « réactions polaritoniques ». Les réactions peuvent être rapides et on pourrait être tenté d'utiliser des impulsions lumineuses aussi courtes pour les étudier, mais la disparition des polaritons influencera fortement les résultats attendus de ces nouvelles réactions. Ce travail fournit une nouvelle compréhension profondément fondamentale des processus impliqués.
" L'aspect important de ces travaux est qu'ils revisitent ce que l'on croyait bien compris. Il est toujours crucial d'approfondir nos connaissances existantes et d'améliorer notre compréhension. En pratique, au-delà de la nouvelle chimie polaritonique, ces travaux servent également aux communautés de recherche traitant des sciences quantiques. systèmes chimiques, visant à contrôler la matière chimique et les réactions dans des délais très courts (femtoseconde) et à des échelles de très petite taille (nanomètre)", explique Nicolò Maccaferri du département de physique de l'université d'Umeå, en Suède, et de l'université du Luxembourg.
Plus d'informations : Joel Kuttruff et al, Effondrement sub-picoseconde des polaritons moléculaires vers une transition moléculaire pure dans les nanoantennes photoswitches plasmoniques, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-39413-5
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Université d'Umea
