Les polaritons offrent le meilleur de deux mondes très différents. Ces particules hybrides combinent la lumière et des molécules de matière organique, ce qui en fait des récipients idéaux pour le transfert d’énergie dans les semi-conducteurs organiques. Ils sont à la fois compatibles avec l’électronique moderne et se déplacent rapidement, grâce à leurs origines photoniques.
Cependant, les polaritons sont difficiles à contrôler, et une grande partie de leur comportement reste un mystère.
Un projet dirigé par Andrew Musser, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique au College of Arts and Sciences de l’Université Cornell, a trouvé un moyen de régler la vitesse de ce flux d’énergie. Cet “accélérateur” peut faire passer les polaritons d’un état de quasi-stagnation à un état proche de la vitesse de la lumière et augmenter leur portée – une approche qui pourrait conduire à des cellules solaires, des capteurs et des LED plus efficaces.
L’article de l’équipe, intitulé “Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization”, a été publié le 27 avril 2022 dans la revue “Organic Exciton-Polaritons”. Advanced Science. 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 par le biais de minuscules structures en sandwich de miroirs, appelées microcavités, qui piègent la lumière et la forcent à interagir avec des excitons – des paquets d’énergie mobiles constitués d’une 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 des LED organiques améliorées.
Pour le nouveau projet, l’équipe a utilisé une série d’impulsions laser, qui ont fonctionné comme une caméra vidéo ultrarapide, pour mesurer en temps réel comment l’énergie se déplaçait dans les structures de microcavité. Mais l’équipe s’est heurtée à un obstacle de taille. Les polaritons sont si complexes que même l’interprétation de ces mesures peut être un processus ardu.
“Ce que nous avons trouvé était complètement inattendu. Nous sommes restés assis sur les données pendant deux bonnes années à réfléchir à ce que 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 en mesure de suralimenter les polaritons.
“La façon dont nous avons modifié la vitesse du mouvement de ces particules est encore sans précédent dans la littérature”, a-t-il déclaré. “Mais maintenant, non seulement nous avons confirmé que l’introduction de matériaux dans ces structures peut faire bouger les états beaucoup plus vite 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 pour essayer de 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 sprinter Usain Bolt, champion du monde, selon Musser.
Cela peut être rapide pour l’homme, a-t-il noté, mais il s’agit en fait d’un processus assez lent à l’échelle nanométrique.
L’approche de la microcavité, en revanche, lance les polaritons cent mille fois plus vite – une vitesse de l’ordre de 1% de la vitesse de la lumière. Bien que le transport soit de courte durée – au lieu de prendre moins d’une nanoseconde, il est inférieur à une picoseconde, soit environ 1 000 fois plus court – 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. Ainsi, s’ils peuvent se déplacer sur des centaines de nanomètres, lorsque vous miniaturisez le dispositif – par exemple, avec des bornes séparées par des dizaines de nanomètres – cela signifie qu’ils iront de A à B sans aucune perte. Et c’est vraiment de cela qu’il s’agit”.
Les physiciens, les chimistes et les spécialistes des matériaux se rapprochent ainsi de leur objectif, qui est de créer de nouvelles structures de dispositifs efficaces et des appareils électroniques de nouvelle génération qui ne soient pas entravés par la surchauffe.
“De nombreuses technologies qui utilisent des excitons plutôt que des électrons ne fonctionnent qu’à des températures cryogéniques”, a déclaré M. Musser. “Mais avec les semi-conducteurs organiques, vous pouvez commencer à réaliser un grand nombre de fonctionnalités intéressantes et excitantes à température ambiante. Ces mêmes phénomènes peuvent donc alimenter de nouveaux types de lasers, de simulateurs quantiques, voire d’ordinateurs. Il y a beaucoup d’applications pour ces particules de polariton si nous pouvons mieux les comprendre.”
Référence : “Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization” par Raj Pandya, Arjun Ashoka, Kyriacos Georgiou, Jooyoung Sung, Rahul Jayaprakash, Scott Renken, Lizhi.Gai, Zhen Shen, Akshay Rao et Andrew J. Musser, 27 avril 2022 , Science avancée.
DOI : 10.1002/advs.202105569
Les co-auteurs sont Scott Renken, MS 21, du groupe Musser, et des chercheurs de l’Université de Cambridge, de l’Université de Sheffield et de l’Université de Nanjing.
La recherche a été soutenue par le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques du Royaume-Uni, l’Université de Cambridge et le Département de l’énergie des États-Unis.
