Группа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали метод создания новых квазичастиц, которые получили название топологические плекситоны (topological plexcitons). Эти квазичастицы, способные переносить энергию, возникают при наличии нескольких условий и их можно использовать для создания новых видов солнечных батарей, миниатюрных электронно-оптических схем и т.п.
На уровне, где проходит граница между нормальным и квантовым миром, свет и материя взаимодействуют весьма странными способами, обмениваясь энергией между собой. «Когда свет взаимодействует с материей, они обмениваются энергией» — рассказывает Джоэл Юен-Жоу (Joel Yuen-Zhou), ученый из Калифорнийского университета, — «Энергия может передаваться как в одном, так и обратном направлениях. При взаимодействии света с поверхностью металлов возникают так называемые плазмоны, а при взаимодействии света с атомами и молекулами могут возникать экситоны. При соблюдении некоторых условий энергетический обмен происходит столь быстро, что квазичастицы начинают терять свои индивидуальные «черты», экситоны и плазмоны объединяются в более большую гибридную квазичастицу, которая называется плекситон».
Ученые из области материаловедения достаточно давно занимаются поисками возможности увеличения эффективности процесса передачи энергии, называемого экситонным переносом энергии (exciton energy transfer, EET). Практическое применение такого метода позволит создать более эффективные солнечные батареи, фотонные схемы, которые могут быть в десятки раз меньше, нежели их кремниевые аналоги. Одним из недостатков EET-метода является то, что он работает только на малых расстояниях, в масштабе до 10 нанометров. Из-за короткого периода времени жизни экситонов и из-за их взаимодействия с окружающими молекулами переносимая ими энергия быстро рассеивается и теряется.
Методом, который позволит преодолеть указанный выше недостаток, является «скрещивание» экситонов и плазмонов на поверхности молекулярного кристалла. Эти квазичастицы, плекситоны, можно получать в больших количествах методом группового возбуждения, и они способны преодолевать расстояния в 20 тысяч нанометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса.
Ученые предполагают, что плекситоны станут неотъемлемой частью следующего поколения нанофотонных схем, которые, в свою очередь, могут быть использованы где угодно, начиная от солнечных батарей и заканчивая управляемыми химическими катализаторами. Но и с плекситонами не все обстоит так гладко, как хотелось бы, управление направлением их движения в материале пока еще не реализовано должным образом.
Решением проблемы управления движением плекситонов стали новые квазичастицы, названные учеными из Массачусетского технологического института и Гарварда топологическими плекситонами. К этим частицам относятся плекситоны, созданные на поверхности материалов, называемых топологическими изоляторами. «Топологические изоляторы представляют собой материалы с уникальными электрическими свойствами» — рассказывает Джоэл Юен-Жоу, — «Большая часть объема такого материала является диэлектриком, но на краях этот материал ведет себя как идеальный электрический проводник».
Плекситоны, в отличие от электронов, не являются носителями электрического заряда. Но некоторые особенности поведения этих квазичастиц, как обнаружили ученые, схожи с поведением электрически заряженных частиц. И такую особенность ученые планируют использовать для создания так называемой «плекситоники», чего-то, схожего с электроникой, в которой информация и энергия переносится при помощи плекситонов.
