Les Polaritons offrent le meilleur de deux mondes très différents. Ces particules hybrides combinent lumière et molécules de matière organique, ce qui en fait des vaisseaux idéaux pour le transfert d’énergie dans les semi-conducteurs organiques. Ils sont compatibles avec l’électronique moderne mais se déplacent également rapidement, grâce à leurs origines photoniques.
Cependant, ils sont difficiles à contrôler et une grande partie de leur comportement est un mystère.
Un projet dirigé par Andrew Musser, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique au Collège des arts et des sciences, a trouvé un moyen de régler la vitesse de ce flux d’énergie. Cette « manette des gaz » peut déplacer les polaritons d’un quasi-arrêt à quelque chose approchant la vitesse de la lumière et augmenter leur portée, une approche qui pourrait éventuellement conduire à des cellules solaires, des capteurs et des LED plus efficaces.
L’article de l’équipe, « Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization », publié le 27 avril dans Sciences avancées. L’auteur principal est Raj Pandya de l’Université de Cambridge.
Au cours des dernières années, Musser et ses collègues de l’Université de Sheffield ont exploré une méthode de création de polaritons via de minuscules structures en sandwich de miroirs, appelées microcavités, qui piègent la lumière et la forcent à interagir avec des excitons – des faisceaux d’énergie mobiles constitués d’un paire électron-trou liée.
Ils ont précédemment montré comment les microcavités peuvent sauver les semi-conducteurs organiques des « états sombres » dans lesquels ils n’émettent pas de lumière, avec des implications pour l’amélioration des LED organiques.
Pour le nouveau projet, l’équipe a utilisé une série d’impulsions laser, qui fonctionnaient comme une caméra vidéo ultra-rapide, pour mesurer en temps réel comment l’énergie se déplaçait dans les structures de la microcavité. Mais l’équipe a rencontré son propre ralentisseur. Les polaritons sont si complexes que même l’interprétation de telles mesures peut être un processus ardu.
« Ce que nous avons trouvé était complètement inattendu. Nous nous sommes assis sur les données pendant deux bonnes années pour réfléchir à ce que tout cela signifiait », a déclaré Musser, l’auteur principal de l’article.
Finalement, les chercheurs ont réalisé qu’en incorporant plus de miroirs et en augmentant la réflectivité dans le résonateur à microcavité, ils étaient capables, en fait, de turbocharger les polaritons.
« La façon dont nous modifions la vitesse du mouvement de ces particules est encore fondamentalement sans précédent dans la littérature », a-t-il déclaré. « Mais maintenant, non seulement nous avons confirmé que mettre des matériaux dans ces structures peut faire avancer les états beaucoup plus rapidement et beaucoup plus loin, mais nous avons un levier pour contrôler réellement la vitesse à laquelle ils vont. Cela nous donne maintenant une feuille de route très claire sur la façon d’essayer pour les améliorer. »
Dans les matériaux organiques typiques, les excitations élémentaires se déplacent de l’ordre de 10 nanomètres par nanoseconde, ce qui équivaut à peu près à la vitesse du sprinteur champion du monde Usain Bolt, selon Musser.
Cela peut être rapide pour les humains, a-t-il noté, mais c’est en fait un processus assez lent à l’échelle nanométrique.
L’approche de la microcavité, en revanche, lance des polaritons cent mille fois plus vite, une vitesse de l’ordre de 1 % de la vitesse de la lumière. Alors que le transport est de courte durée – au lieu de prendre moins d’une nanoseconde, il est inférieur à la picoseconde, soit environ 1 000 fois plus bref – les polaritons se déplacent 50 fois plus loin.
« La vitesse absolue n’est pas nécessairement importante », a déclaré Musser. « Ce qui est plus utile, c’est la distance. Donc, s’ils peuvent parcourir des centaines de nanomètres, lorsque vous miniaturisez l’appareil – disons, avec des terminaux distants de 10 nanomètres – cela signifie qu’ils iront de A à B sans aucune perte. Et c’est vraiment de cela qu’il s’agit. »
Cela rapproche les physiciens, les chimistes et les scientifiques des matériaux de leur objectif de créer de nouvelles structures d’appareils efficaces et de l’électronique de nouvelle génération qui ne sont pas bloquées par la surchauffe.
« De nombreuses technologies qui utilisent des excitons plutôt que des électrons ne fonctionnent qu’à des températures cryogéniques », a déclaré Musser. « Mais avec les semi-conducteurs organiques, vous pouvez commencer à obtenir de nombreuses fonctionnalités intéressantes et passionnantes à température ambiante. Ainsi, ces mêmes phénomènes peuvent alimenter de nouveaux types de lasers, de simulateurs quantiques ou même d’ordinateurs. Il existe de nombreuses applications pour ces particules de polariton si nous pouvons mieux les comprendre. »
Raj Pandya et al, Réglage de la propagation cohérente des polaritons d’excitation organiques par délocalisation de l’état sombre, Sciences avancées (2022). DOI : 10.1002/advs.202105569