Учёные использовали поляритоны для прорыва в молекулярном переносе заряда

На изображении показано, как различные цвета света могут достигать состояния переноса заряда в поляритонных системах, в отличие от экситонных систем, которые реагируют на ограниченный спектр цветов. Более тёмные линии указывают на более высокую скорость переноса заряда. Автор: Камьяр Рашиди

Учёные давно предполагали, что поляритоны — гибриды света и материи — можно использовать для управления фотохимическими процессами. Теперь исследователи из Городского университета Нью-Йорка (CUNY) показали, что эти мимолётные состояния действительно могут управлять фундаментальным типом молекулярной реакции.

Исследование, опубликованное в Nature Nanotechnology, возглавили физик Мэтью Сфейр и аспирант Камьяр Рашиди при участии исследователей из CUNY Эврипидиса Михаила, Бернардо Сальсидо-Сантакруза, Ямуны Паудел и профессора Винода Менона. Их команда продемонстрировала, что поляритоны могут способствовать реакциям переноса заряда, в которых электроны переходят от одной молекулы к другой. Такие реакции лежат в основе устройств солнечной энергетики, молекулярной электроники и многих производственных процессов.

«Обычно эти реакции реагируют только на очень специфические цвета света, — объяснил Рашиди, докторант CUNY Graduate Center и исследователь в SfeirLab. — Но используя поляритоны, мы смогли расширить это окно, чтобы молекулы могли реагировать под более широким спектром света».

Поляритоны образуются, когда фотоны (частицы света) взаимодействуют так сильно с экситонами (энергетическими состояниями внутри молекул), что они сливаются в новую квантовую сущность. Загвоздка в том, что поляритоны печально известны своей короткой жизнью, обычно высвобождая энергию до того, как успевают что-либо сделать. Чтобы преодолеть это, команда сконструировала зеркала, которые ограничивали свет таким образом, что стабилизировали поляритоны на несколько сотен фемтосекунд — всё ещё доли триллионной доли секунды, но достаточно долго, чтобы иметь значение.

Процессы переноса заряда в несвязанных и сильно связанных донорно-акцепторных системах. Автор: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01995-0

В этих условиях поляритоны снизили энергию, необходимую для переноса электронов, примерно на треть.

«Это то, на что люди надеялись, но было очень трудно доказать, — сказал Сфейр, сотрудник CUNY ASRC Photonics Initiative и программы физики CUNY Graduate Center. — Наша работа показывает, что поляритон-управляемая химия реальна, хотя управлять ею по-прежнему чрезвычайно сложно».

Результаты в конечном итоге могут помочь расширить возможности солнечных элементов, молекулярных переключателей и других технологий, которые зависят от точного управления свето-управляемыми реакциями. Пока же результаты служат доказательством того, что гибриды света и материи могут играть активную роль в фотохимии — шаг к проектированию реакций, которые являются более эффективными, гибкими и энергосберегающими.

Дополнительная информация: Камьяр Рашиди и др., Эффективный и настраиваемый фотохимический перенос заряда через долгоживущие блоховские поверхностные волновые поляритоны, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01995-0

Источник: CUNY Advanced Science Research Center

Поляритонные технологии считаются одним из перспективных направлений квантовой фотоники. В 2024 году исследователи из MIT также сообщали о значительных успехах в стабилизации поляритонов, что указывает на растущий интерес научного сообщества к этой области. Разработки в области поляритоники могут найти применение не только в солнечной энергетике, но и в квантовых вычислениях и сверхчувствительных сенсорах.