MENJEBAK MOLEKUL DI ANTARA CERMIN TAK MENGUBAH APA PUN DI SINI
Sel surya biasa membuang sebagian energi setiap foton sebagai panas. Salah satu cara yang diusulkan untuk mengakali batas ini adalah fisi singlet (singlet fission): pada material organik tertentu, sebuah eksitasi yang tercipta oleh cahaya (sebuah “singlet”) terbelah menjadi dua eksitasi berenergi lebih rendah (“triplet”). Jika keduanya bisa dipanen, satu foton menghasilkan dua muatan alih-alih satu.
Kendalanya, menurut makalah ini, fisi sangat peka terhadap struktur dan susunan molekul, yang butuh banyak kerja kimia untuk dioptimalkan.
Mencampur cahaya dan materi
Jalan pintas yang menarik adalah mengubah bukan molekulnya, melainkan lingkungan cahayanya. Letakkan lapisan tipis di antara dua cermin yang sangat berdekatan, maka cahaya yang terperangkap di dalamnya bisa terkopel begitu kuat dengan molekul sehingga terbentuk keadaan hibrida cahaya–materi, yang disebut polariton. Secara teori, polariton bisa mempercepat, memperlambat, atau mengalihkan proses seperti fisi tanpa menyentuh kimianya.
Hasil eksperimen saling bertentangan. Untuk satu molekul, TIPS-pentasena, tidak ditemukan perubahan. Untuk rubrena, sebuah studi tahun 2019 dengan cermin perak melaporkan bahwa fisi tertekan. Para penulis makalah baru ini menunjuk satu masalah: perubahan yang dilaporkan berlangsung pikodetik, sedangkan cahaya hanya bertahan sekitar sepersepuluh pikodetik di antara cermin perak yang bocor. Dan cermin itu sendiri bertindak sebagai penyaring bagi cahaya penyelidik, menimbulkan artefak yang bisa terlihat seperti perubahan pada molekul.
Mengukur di tempat cermin buta
Jenny Clark (University of Sheffield) dan rekan-rekan dari Sheffield, Oxford, Warwick, dan Bath membangun rongga dari cermin dielektrik, tumpukan lapisan silika dan titanium dioksida yang memantulkan kuat di cahaya tampak tetapi meloloskan inframerah dekat. Mereka lalu mengikuti fisi di inframerah dekat, sekitar 1.200 nanometer, di luar pita yang dipantulkan cermin, tempat rongga tidak bisa mendistorsi sinyal. Pada lapisan tanpa cermin, mereka memastikan bahwa sinyal inframerah ini melacak fisi persis seperti sinyal tampak.
Mereka membandingkan:
- rongga berkualitas rendah, tempat cahaya bertahan sekitar 25 femtodetik;
- rongga berkualitas tinggi, tempat cahaya bertahan sekitar 330 femtodetik;
- rongga yang ditala ke energi berbeda, dari +20 hingga −110 milielektronvolt, mencakup kondisi laporan sebelumnya;
- lapisan tanpa cermin dan “rongga terbuka” yang hanya memiliki cermin bawah.
Di semua rongga, cahaya dan molekul berada mantap dalam rezim kopling kuat, dengan pemisahan sekitar 100 milielektronvolt.
Fisi yang sama di mana-mana
Dalam setiap kasus, fisi berjalan nyaris tak berubah. Model yang sama dengan laju yang sama menggambarkan rongga terbuka dan kedua rongga berkopling kuat: langkah pertama fisi berlangsung pada 130 per nanodetik di ketiganya. Mengubah penalaan juga tidak membuat perbedaan.
Tim memang melihat perubahan kecil pada spektrum, tetapi simulasi optik terperinci mereproduksinya sebagai efek interferensi di cermin, bukan sebagai fotofisika yang berubah. Teknik ketiga yang independen, resonansi paramagnetik elektron beresolusi waktu, menyelidiki spin triplet melalui magnetisme alih-alih cahaya, dan menunjukkan sinyal triplet yang sama dengan maupun tanpa rongga.
Satu detail menggambarkan betapa mudahnya tersesat. Fisi sekitar 20% lebih cepat di dalam rongga daripada di lapisan tanpa cermin, tetapi sama cepatnya di rongga terbuka, yang tidak punya cermin atas dan tidak ada kopling kuat. Para penulis menghubungkannya dengan kontak dengan lapisan titanium dioksida pada cermin bawah.
Artinya bagi kimia rongga
Hasil ini “menimbulkan keraguan yang signifikan” terhadap laporan sebelumnya tentang fisi yang diubah polariton pada rubrena, tulis para penulis, dan sejalan dengan studi TIPS-pentasena: reservoir raksasa keadaan molekul yang tidak terkopel mendominasi dinamikanya. Mereka menduga perubahan sebelumnya kemungkinan berasal dari artefak optik, efek permukaan, atau proses orde kedua ketika eksitasi saling memusnahkan, dan bahwa setiap klaim kimia yang dikendalikan rongga di masa depan sebaiknya menyingkirkan kemungkinan-kemungkinan itu terlebih dahulu. Menyelidiki di luar pita pantul cermin, menurut mereka, adalah cara sederhana untuk melakukannya.