Partículas híbridas com infusão de luz aceleram a transferência de energia em semicondutores orgânicos

Polaritons oferecem o melhor de dois mundos muito diferentes. Essas partículas híbridas combinam luz e moléculas de material orgânico, tornando-as vasos de transferência de energia ideais em semicondutores orgânicos. Ambos são compatíveis com a eletrônica moderna, mas também se movem rapidamente, graças às suas origens fotônicas.

No entanto, os polaritons são difíceis de controlar e muito de seu comportamento é um mistério.

Um projeto liderado por Andrew Musser, professor assistente de química e biologia química na Cornell University College of Arts and Sciences, encontrou uma maneira de ajustar a velocidade desse fluxo de energia. Esse “acelerador” pode mover os polaritons de quase parados para algo próximo da velocidade da luz e aumentar seu alcance – uma abordagem que poderia levar a células solares, sensores e LEDs mais eficientes.

O artigo da equipe, “Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization”, foi publicado em 27 de abril de 2022 na revista Ciência Avançada. O autor principal é Raj Pandya, da Universidade de Cambridge.

Nos últimos anos, Musser e colegas da Universidade de Sheffield exploraram um método de criação de polaritons através de pequenas estruturas sanduíche de espelhos, chamadas microcavidades, que prendem a luz e a forçam a interagir com excitons – feixes móveis de energia que consistem em um par elétron-buraco ligado.

Elas mostrou anteriormente como as microcavidades podem resgatar semicondutores orgânicos de “estados escuros” nos quais eles não emitem luz, com implicações para LEDs orgânicos aprimorados.

Para o novo projeto, a equipe usou uma série de pulsos de laser, que funcionavam como uma câmera de vídeo ultrarrápida, para medir em tempo real como a energia se movia dentro das estruturas das microcavidades. Mas a equipe atingiu uma lombada própria. Os polaritons são tão complexos que até mesmo interpretar tais medidas pode ser um processo árduo.

“O que encontramos foi completamente inesperado. Ficamos sentados nos dados por uns bons dois anos pensando sobre o que tudo isso significava”, disse Musser, autor sênior do artigo.

Eventualmente, os pesquisadores perceberam que, incorporando mais espelhos e aumentando a refletividade no ressonador da microcavidade, eles foram capazes de, de fato, turbinar os polaritons.

“A maneira como estávamos mudando a velocidade do movimento dessas partículas ainda é basicamente sem precedentes na literatura”, disse ele. “Mas agora, não apenas confirmamos que colocar materiais nessas estruturas pode fazer com que os estados se movam muito mais rápido e muito mais, mas temos uma alavanca para realmente controlar o quão rápido eles vão. Isso nos dá um roteiro muito claro agora sobre como tentar melhorá-los.”

Em materiais orgânicos típicos, as excitações elementares se movem na ordem de 10 nanômetros por nanossegundo, o que é aproximadamente equivalente à velocidade do velocista campeão mundial Usain Bolt, de acordo com Musser.

Isso pode ser rápido para humanos, ele observou, mas na verdade é um processo bastante lento em nanoescala.

A abordagem da microcavidade, por outro lado, lança polaritões cem mil vezes mais rápido – uma velocidade da ordem de 1% da velocidade da luz. Enquanto o transporte é de curta duração – em vez de levar menos de um nanossegundo, é menos de picossegundo, ou cerca de 1.000 vezes mais breve – os polaritons se movem 50 vezes mais.

“A velocidade absoluta não é necessariamente importante”, disse Musser. “O que é mais útil é a distância. Então, se eles podem viajar centenas de nanômetros, quando você miniaturiza o dispositivo – digamos, com terminais separados por 10 nanômetros – isso significa que eles irão de A a B com zero perdas. E é realmente disso que se trata.”

Isso traz físicos, químicos e cientistas de materiais cada vez mais perto de seu objetivo de criar novas e eficientes estruturas de dispositivos e eletrônicos de última geração que não sejam bloqueados pelo superaquecimento.

“Muitas tecnologias que usam excitons em vez de elétrons operam apenas em temperaturas criogênicas”, disse Musser. “Mas com semicondutores orgânicos, você pode começar a obter muitas funcionalidades interessantes e excitantes à temperatura ambiente. Portanto, esses mesmos fenômenos podem alimentar novos tipos de lasers, simuladores quânticos ou até mesmo computadores. Existem muitas aplicações para essas partículas de polariton se pudermos entendê-las melhor.”

Referência: “Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization” por Raj Pandya, Arjun Ashoka, Kyriacos Georgiou, Jooyoung Sung, Rahul Jayaprakash, Scott Renken, Lizhi Gai, Zhen Shen, Akshay Rao e Andrew J. Musser, 27 de abril de 2022, Ciência Avançada.
DOI: 10.1002 / advs.202105569

Os co-autores incluem Scott Renken, MS ’21 do Musser Group; e pesquisadores da Universidade de Cambridge, da Universidade de Sheffield e da Universidade de Nanjing.

A pesquisa foi apoiada pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido, pela Universidade de Cambridge e pelo Departamento de Energia dos EUA.