MOLEKÜLLERİ AYNALAR ARASINA HAPSETMEK BURADA HİÇBİR ŞEYİ DEĞİŞTİRMİYOR

Sıradan güneş hücreleri her fotonun enerjisinin bir kısmını ısı olarak harcar. Bu sınırı aşmak için önerilen yollardan biri singlet bölünmesidir: bazı organik malzemelerde ışıkla oluşturulan bir uyarılma (bir “singlet”), daha düşük enerjili iki uyarılmaya (“triplet”) bölünür. İkisi de toplanabilirse, bir foton bir yerine iki yük verir.

Makaleye göre sorun, bölünmenin moleküllerin yapısına ve dizilimine çok duyarlı olması; bunu optimize etmek çok fazla kimyasal çalışma gerektiriyor.

Işık ile maddeyi karıştırmak

Cazip bir kestirme, molekülleri değil onların ışık ortamını değiştirmek. İnce bir filmi birbirine çok yakın iki ayna arasına yerleştirin; içeride hapsolan ışık moleküllerle o kadar güçlü bağlaşabilir ki polariton adı verilen melez ışık–madde durumları oluşur. Kuramsal olarak bunlar, kimyaya dokunmadan bölünme gibi süreçleri hızlandırabilir, yavaşlatabilir ya da yönlerini değiştirebilir.

Deneyler çelişkili oldu. Bir molekül olan TIPS-pentasen için hiçbir değişiklik bulunmadı. Rubren için ise gümüş aynalar kullanan 2019 tarihli bir çalışma, bölünmenin bastırıldığını bildirdi. Yeni makalenin yazarları bir soruna dikkat çekiyor: bildirilen değişiklikler pikosaniyeler sürüyordu, oysa ışık kayıplı gümüş aynalar arasında yalnızca pikosaniyenin onda biri kadar hayatta kalıyor. Üstelik aynaların kendisi, yoklama ışığı üzerinde bir filtre gibi davranarak moleküllerdeki değişiklikler gibi görünebilen artefaktlar yaratıyor.

Aynaların kör olduğu yerde ölçmek

Jenny Clark (Sheffield Üniversitesi) ile Sheffield, Oxford, Warwick ve Bath’tan meslektaşları, görünür bölgede güçlü yansıtan ama yakın kızılötesi ışığı geçiren silika ve titanyum dioksit katman yığınları olan dielektrik aynalardan kaviteler inşa etti. Ardından bölünmeyi, aynaların yansıttığı bandın dışında, kavitenin sinyali bozamayacağı yakın kızılötesinde, 1.200 nanometre civarında izlediler. Çıplak bir film üzerinde bu kızılötesi sinyalin bölünmeyi görünür sinyalle tam olarak aynı şekilde izlediğini kontrol ettiler.

Şunları karşılaştırdılar:

• ışığın yaklaşık 25 femtosaniye hayatta kaldığı düşük kaliteli bir kavite;
• ışığın yaklaşık 330 femtosaniye hayatta kaldığı yüksek kaliteli bir kavite;
• önceki raporun koşullarını kapsayan, +20 ile −110 milielektronvolt arasındaki farklı enerjilere ayarlanmış kaviteler;
• çıplak bir film ve yalnızca alt aynası olan “açık bir kavite”.

Tüm kavitelerde ışık ve moleküller, yaklaşık 100 milielektronvoltluk bir yarılmayla, kesin olarak güçlü bağlaşım rejimindeydi.

Her yerde aynı bölünme

Her durumda bölünme neredeyse hiç değişmeden ilerledi. Aynı hızlara sahip aynı model, açık kaviteyi ve güçlü bağlaşımlı iki kaviteyi de tanımladı: bölünmenin ilk adımı üçünde de nanosaniyede 130 hızla gerçekleşti. Ayarı değiştirmek de hiçbir fark yaratmadı.

Ekip spektrumlarda küçük değişiklikler gördü, ama ayrıntılı optik simülasyonlar bunları değişmiş fotofizik olarak değil, aynalardaki girişim etkileri olarak yeniden üretti. Üçüncü, bağımsız bir teknik olan zaman çözümlü elektron paramanyetik rezonansı, tripletlerin spinlerini ışık yerine manyetizma aracılığıyla yokluyor ve kaviteli ve kavitesiz aynı triplet sinyalini gösterdi.

Bir ayrıntı, yanılmanın ne kadar kolay olduğunu gösteriyor. Bölünme kavitelerde çıplak filme göre yaklaşık %20 daha hızlıydı, ama üst aynası ve güçlü bağlaşımı olmayan açık kavitede de aynı hızdaydı. Yazarlar bunu alt aynanın titanyum dioksit katmanıyla temasa bağlıyor.

Kavite kimyası için anlamı

Yazarlar, sonuçların rubrende polaritonla değiştirilmiş bölünmeye dair önceki rapor üzerinde “ciddi şüphe uyandırdığını” yazıyor ve TIPS-pentasen çalışmasıyla örtüştüğünü belirtiyor: bağlaşmamış moleküler durumlardan oluşan devasa rezervuar dinamiğe hâkim. Önceki değişikliklerin muhtemelen optik artefaktlardan, yüzey etkilerinden ya da uyarılmaların birbirini yok ettiği ikinci dereceden süreçlerden kaynaklandığını ve kaviteyle kontrol edilen kimyaya dair gelecekteki her iddianın önce bunları dışlaması gerektiğini öne sürüyorlar. Aynaların yansıma bandının dışında yoklama yapmanın bunun için basit bir yol olduğunu savunuyorlar.