Polaritons bieten das Beste aus zwei sehr unterschiedlichen Welten. Diese Hybridpartikel vereinen Licht und Moleküle aus organischem Material und sind damit ideale Gefäße für die Energieübertragung in organischen Halbleitern. Sie sind mit moderner Elektronik kompatibel, bewegen sich aber dank ihres photonischen Ursprungs auch schnell.
Sie sind jedoch schwer zu kontrollieren, und ein Großteil ihres Verhaltens ist ein Rätsel.
Ein Projekt unter der Leitung von Andrew Musser, Assistenzprofessor für Chemie und chemische Biologie am College of Arts and Sciences, hat einen Weg gefunden, die Geschwindigkeit dieses Energieflusses einzustellen. Diese „Drosselklappe“ kann Polaritonen von einem nahezu stillstehenden Zustand auf annähernd Lichtgeschwindigkeit bringen und ihre Reichweite erhöhen – ein Ansatz, der schließlich zu effizienteren Solarzellen, Sensoren und LEDs führen könnte.
Das Papier des Teams, „Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization“, wurde am 27 Fortgeschrittene Wissenschaft. Hauptautor ist Raj Pandya von der University of Cambridge.
In den letzten Jahren haben Musser und Kollegen an der University of Sheffield eine Methode zur Erzeugung von Polaritonen über winzige Sandwichstrukturen von Spiegeln, sogenannte Mikrokavitäten, erforscht, die Licht einfangen und es zwingen, mit Exzitonen zu interagieren – beweglichen Energiebündeln, die aus a bestehen gebundenes Elektron-Loch-Paar.
Sie haben zuvor gezeigt, wie Mikrokavitäten organische Halbleiter aus „dunklen Zuständen“ retten können, in denen sie kein Licht emittieren, was Auswirkungen auf verbesserte organische LEDs hat.
Für das neue Projekt verwendete das Team eine Reihe von Laserimpulsen, die wie eine ultraschnelle Videokamera funktionierten, um in Echtzeit zu messen, wie sich die Energie innerhalb der Mikrokavitätsstrukturen bewegte. Aber das Team traf selbst auf eine Bremsschwelle. Polaritonen sind so komplex, dass selbst die Interpretation solcher Messungen ein mühsamer Prozess sein kann.
„Was wir fanden, war völlig unerwartet. Wir saßen gut zwei Jahre lang an den Daten und dachten darüber nach, was das alles bedeutet“, sagte Musser, der leitende Autor der Zeitung.
Schließlich erkannten die Forscher, dass sie durch den Einbau von mehr Spiegeln und die Erhöhung des Reflexionsvermögens im Mikrokavitätsresonator die Polaritonen effektiv aufladen konnten.
„Die Art und Weise, wie wir die Bewegungsgeschwindigkeit dieser Teilchen verändert haben, ist in der Literatur im Grunde noch beispiellos“, sagte er. „Aber jetzt haben wir nicht nur bestätigt, dass das Einbringen von Materialien in diese Strukturen Staaten dazu bringen kann, sich viel schneller und viel weiter zu bewegen, sondern wir haben auch einen Hebel, um tatsächlich zu steuern, wie schnell sie sich bewegen. Dies gibt uns jetzt einen sehr klaren Fahrplan, wie wir es versuchen können sie zu verbessern.“
In typischen organischen Materialien bewegen sich elementare Anregungen in der Größenordnung von 10 Nanometern pro Nanosekunde, was laut Musser in etwa der Geschwindigkeit des Sprintweltmeisters Usain Bolt entspricht.
Das mag für Menschen schnell sein, bemerkte er, aber es ist eigentlich ein ziemlich langsamer Prozess auf der Nanoskala.
Der Microcavity-Ansatz hingegen sendet Polaritonen hunderttausendmal schneller aus – eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 1 % der Lichtgeschwindigkeit. Während der Transport kurzlebig ist – statt weniger als eine Nanosekunde dauert er weniger als eine Pikosekunde oder etwa 1.000 Mal kürzer – bewegen sich die Polaritonen 50 Mal weiter.
„Die absolute Geschwindigkeit ist nicht unbedingt wichtig“, sagte Musser. „Was nützlicher ist, ist die Entfernung. Wenn sie also Hunderte von Nanometern zurücklegen können, wenn Sie das Gerät miniaturisieren – sagen wir, mit Anschlüssen, die 10 Nanometer voneinander entfernt sind – bedeutet das, dass sie ohne Verluste von A nach B gelangen. Und darum geht es wirklich.“
Dies bringt Physiker, Chemiker und Materialwissenschaftler ihrem Ziel immer näher, neue, effiziente Gerätestrukturen und Elektronik der nächsten Generation zu schaffen, die nicht durch Überhitzung behindert werden.
„Viele Technologien, die Exzitonen anstelle von Elektronen verwenden, arbeiten nur bei kryogenen Temperaturen“, sagte Musser. „Aber mit organischen Halbleitern können Sie bei Raumtemperatur viele interessante, aufregende Funktionen erreichen. Dieselben Phänomene können also in neue Arten von Lasern, Quantensimulatoren oder sogar Computern einfließen. Es gibt viele Anwendungen dafür Polaritonteilchen, wenn wir sie besser verstehen können.“
Raj Pandya et al, Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization, Fortgeschrittene Wissenschaft (2022). DOI: 10.1002/adv.202105569