Quand la lumière rencontre la matière : l’émergence des polaritons

En s’immergeant dans les mystères de l’Univers, la science fait parfois la découverte de phénomènes surprenants qui semblent déroger à nos lois habituelles. Parmi ces anomalies, nous découvrons aujourd’hui les polaritons, ces quasi-particules, mi-lumière, mi-matière, qui modifient profondément notre compréhension des réactions chimiques.

Une étude récente de l’Université d’Umeå, publiée dans Nature Communications, nous éclaire sur ce sujet fascinant.

La quête de la lumière confinée

La matière que nous connaissons peut prendre diverses formes, que ce soit solide ou liquide. Cependant, lorsqu’elle rencontre la lumière dans un espace restreint, elle peut donner naissance à des formes inattendues.

Si confiner quelques molécules de matière est simple, capturer la lumière demande des dispositifs spécifiques, comme de petites nano-antennes, un peu à la façon dont les anciennes antennes de télévision captaient les signaux.

« Comme nous pouvons produire de grandes surfaces couvertes de ces antennes et viser en principe des applications pratiques futures à grande échelle de la chimie polaritonique, nous sommes très intrigués par les processus rapides qui se produisent lorsque ces nouvelles réactions ont lieu sur les antennes. C’est important lorsque nous concevons les futurs systèmes utiles et économes en énergie travaillant avec la lumière et la matière« , commente le Professeur Alexandre Dmitriev, de l’Université de Göteborg, en Suède.

Une révolution des réactions chimiques

Une fois que la lumière est capturée et confinée par l’antenne, puis placée au même endroit où certaines molécules organiques sont confinées, de nouveaux objets mixtes lumière-matière font leur apparition : les « polaritons. Si ces molécules participent à certaines réactions chimiques, les réactions sont complètement modifiées et peuvent se dérouler soit beaucoup plus lentement, soit beaucoup plus rapidement.

Par ailleurs, du fait que les énergies auxquelles ces réactions se produisent sont différentes, elles peuvent s’exécuter de manière inattendue, formant de nouveaux produits de réaction.

Les expériences de pompage-sondage utilisant des sources laser femtosecondes révèlent des dynamiques qui ne nous sont autrement pas accessibles. De telles études ouvrent la voie à l’avancement de la chimie vers le domaine ultra-rapide et promettent de nombreuses applications passionnantes, de la collecte d’énergie à l’informatique quantique », indique Joel Kuttruff, de l’Université de Konstanz, auteur du document.

La destruction par des impulsions lumineuses

Une équipe internationale de chercheurs de Suède, d’Italie, d’Allemagne et du Luxembourg, spécialisée dans divers domaines (nano-antennes, molécules organiques, théorie quantique et optique ultra-rapide), nous révèle maintenant ce qui se passe lorsque de très courtes impulsions lumineuses frappent les polaritons dans des espaces très confinés. Il s’avère qu’ils sont rapidement détruits et que le système est ensuite entièrement contrôlé par les transitions électroniques conventionnelles des molécules.

« Des phénomènes exotiques tels que la naissance et la disparition de ces états mixtes matière-lumière fournissent des manifestations de la nature intrinsèquement quantique de notre monde. Ils sont à la fois prometteurs pour de nouvelles applications technologiques à long terme et fascinants d’un point de vue fondamental« , précise le Professeur Stefano Corni, de l’Université de Padova, en Italie.

En synthèse

La découverte des polaritons et de leur influence sur les réactions chimiques marque une étape importante dans notre quête de la compréhension de l’Univers. Cependant, il est essentiel de comprendre que l’utilisation de courtes impulsions lumineuses pour étudier ces réactions peut conduire à la disparition des polaritons, ce qui influencerait fortement les résultats attendus de ces nouvelles réactions. Cette recherche offre donc une compréhension profondément fondamentale des processus en jeu.

D’un autre côté, bien que les applications pratiques de la chimie polaritonique semblent prometteuses, des études supplémentaires sont nécessaires pour déterminer leur viabilité à grande échelle. En fin de compte, cette recherche pourrait révolutionner non seulement la chimie, mais aussi d’autres domaines tels que l’énergie et l’informatique quantique.

À propos de l’article : Joel Kuttruff, Marco Romanelli Esteban Pedrueza-Villalmanzo, Jonas Allerbeck, Jacopo Fregoni, Valeria Saavedra-Becerril, Joakim Andréasson, Daniele Brida, Alexandre Dmitriev, Stefano Corni et Nicolò Maccaferri. Sub-picosecond collapse of pollaritons mole molecular transition in plasmonic photoswitch-nanoantennas. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39413-5 (.pdf)

Légende illustration prinicpale : Une équipe de recherche internationale étudie comment les polaritons, objets mixtes lumière-matière, réagissent à de brèves impulsions lumineuses. ImageAlexandre Dmitriev

Article adapté de l’auteure : Sara-Lena Brännström