Polaritoni su neobično stanje, neka vrsta kvazi-čestica koje se sastoje od delimično svetlosti i delimično materije koje mogu doneti neočekivane sposobnosti konvencionalnim hemijskim reakcijama. Novo istraživanje Univerziteta Umea i drugih otkriva da kada polaritone pogode vrlo kratki impulsi svetlosti, oni kolabiraju, a od tada će reakcija biti potpuno kontrolisana konvencionalnim elektronskim prelazima. Studija je objavljena u Nature Communications.
Materija postoji u različitim oblicima, poput čvrste ili tečne. Ali može poprimiti i vrlo neočekivane oblike, kao na primer, kada se svetlost i materija sretnu u veoma skučenom prostoru. Ograničavanje nekoliko molekula materije je lako, ali za hvatanje svetlosti potrebni su posebni uređaji, kao što su male nano-antene, pomalo slične onome kako su TV-antene iz prošlosti hvatale TV signal. Ali mnogo manje.
„Pošto možemo da proizvodimo velike površine, prekrivene ovim antenama i, u principu, usmerene na veoma praktične buduće proširene primene polaritonske hemije, veoma smo zaintrigirani brzim procesima koji se dešavaju kada se ove nove reakcije odvijaju na antenama. Ovo je važno kada dizajniramo buduće korisne i energetski efikasne sisteme koji rade sa svetlošću i materijom“, kaže profesor Aleksandre Dmitrijev, Univerzitet u Geteborgu, Švedska.
Jednom kada antena uhvati i ograniči svetlost, a zatim postavi na isto mesto gde su zatvoreni neki organski molekuli, pojavljuju se čudni novi objekti pomešani svetlosnom materijom: „polaritoni“. Ako ovi molekuli učestvuju u nekim hemijskim reakcijama, reakcije se potpuno izmešaju i mogu ići mnogo sporije ili brže, ili zato što su energije pri kojima se takve reakcije dešavaju različite, možda se odvijaju na način na koji ne bi trebalo da se odvijaju, formirajući nove produkti reakcije.
Ovo fascinantno polje hemije, nazvano „polaritonska hemija“, otvara i menja način na koji gledamo na ono što je moguće sa hemijom. Pošto su polaritoni delimično svetlost i delimično materija, oni se mogu proučavati koristeći samu svetlost kao nosilac informacija o reakciji koja se dešava kada se polariton formira.
„Eksperimenti sa sondom sa pumpom koji koriste femtosekundne laserske izvore otkrivaju dinamiku koja nam inače nije dostupna. Takve studije premošćuju put ka unapređenju hemije u ultrabrzi domen i obećavaju mnoge uzbudljive aplikacije od prikupljanja energije do kvantnog računarstva“, kaže Joel Kuttruff, Univerzitet u Konstanc, prvi autor rada.
Međunarodni tim istraživača iz Švedske, Italije, Nemačke i Luksemburga, stručnjaka iz različitih oblasti (nano-antene, organski molekuli, kvantna teorija i ultrabrza optika), sada otkriva šta se dešava kada veoma kratki svetlosni impulsi udare u polaritone u veoma skučenim prostorima. Ispostavilo se da se brzo uništavaju i tada je sistem u potpunosti kontrolisan konvencionalnim elektronskim prelazima u molekulima.
„Egzotični fenomeni kao što su rađanje i kolaps ovih mešovitih stanja materije i svetlosti pružaju manifestacije intrinzične kvantno-mehaničke prirode našeg sveta. One su istovremeno obećavajuće za nove tehnološke primene na duge staze i fascinantne sa fundamentalne tačke gledišta“, kaže profesor Stefano Korni sa Univerziteta u Padovi, Italija.
Ovo je veoma važno znanje pri projektovanju „polaritonskih reakcija“. Reakcije bi mogle teći brzo i neko bi mogao biti u iskušenju da koristi tako kratke svetlosne impulse da ih proučava, ali nestanak polaritona će snažno uticati na očekivane rezultate ovih novih reakcija. Ovaj rad pruža novo duboko fundamentalno razumevanje uključenih procesa.
„Važan aspekt ovog rada je da se ponovo osvrće na ono što se verovalo da je dobro shvaćeno. Uvek je ključno da produbimo postojeće znanje i unapredimo naše razumevanje. U praksi, pored nove polaritonske hemije, ovaj rad takođe služi istraživačkim zajednicama koje se bave kvantnim hemijski sistemi, koji imaju za cilj da kontrolišu hemijsku materiju i reakcije u veoma kratkom (femtosekundnom) vremenu i veoma malim (nanometarskim) razmerama“, kaže Nicolo Maccaferri sa Odseka za fiziku Univerziteta Umea u Švedskoj i Univerziteta u Luksemburgu.
