NHỐT PHÂN TỬ GIỮA HAI TẤM GƯƠNG KHÔNG THAY ĐỔI GÌ Ở ĐÂY

Pin mặt trời thông thường lãng phí một phần năng lượng của mỗi photon dưới dạng nhiệt. Một cách được đề xuất để vượt qua giới hạn này là phân hạch singlet: trong một số vật liệu hữu cơ, một trạng thái kích thích do ánh sáng tạo ra (một “singlet”) tách thành hai trạng thái kích thích có năng lượng thấp hơn (các “triplet”). Nếu thu được cả hai, một photon sẽ cho hai điện tích thay vì một.

Theo bài báo, điểm khó là quá trình phân hạch rất nhạy với cấu trúc và cách sắp xếp của các phân tử, và việc tối ưu hóa chúng đòi hỏi rất nhiều công sức hóa học.

Trộn ánh sáng với vật chất

Một lối tắt hấp dẫn là thay đổi không phải các phân tử mà là môi trường ánh sáng của chúng. Đặt một màng mỏng giữa hai tấm gương rất sát nhau, và ánh sáng bị giam bên trong có thể liên kết mạnh với các phân tử đến mức chúng tạo thành những trạng thái lai giữa ánh sáng và vật chất, gọi là polariton. Về lý thuyết, những trạng thái này có thể làm nhanh hơn, chậm lại hoặc đổi hướng các quá trình như phân hạch mà không cần đụng đến hóa học.

Các thí nghiệm cho kết quả trái ngược nhau. Với một phân tử, TIPS-pentacene, không thấy thay đổi nào. Với rubrene, một nghiên cứu năm 2019 dùng gương bạc báo cáo rằng quá trình phân hạch bị kìm hãm. Các tác giả của bài báo mới chỉ ra một vấn đề: những thay đổi được báo cáo kéo dài hàng picogiây, trong khi ánh sáng chỉ tồn tại khoảng một phần mười picogiây giữa những tấm gương bạc hao tổn nhiều. Và bản thân các tấm gương còn hoạt động như một bộ lọc đối với ánh sáng thăm dò, tạo ra những sai lệch (artefact) có thể trông giống như thay đổi trong phân tử.

Đo ở nơi các tấm gương bị mù

Jenny Clark (Đại học Sheffield) cùng các đồng nghiệp từ Sheffield, Oxford, Warwick và Bath đã chế tạo các hốc cộng hưởng từ gương điện môi, những chồng lớp silica và titan dioxide phản xạ mạnh trong vùng khả kiến nhưng cho ánh sáng cận hồng ngoại đi qua. Sau đó họ theo dõi quá trình phân hạch trong vùng cận hồng ngoại, khoảng 1.200 nanomet, bên ngoài dải mà các tấm gương phản xạ, nơi hốc không thể làm méo tín hiệu. Trên một màng trần, họ kiểm tra rằng tín hiệu hồng ngoại này bám theo quá trình phân hạch chính xác như tín hiệu khả kiến.

Họ so sánh:

một hốc chất lượng thấp, nơi ánh sáng tồn tại khoảng 25 femtogiây;
một hốc chất lượng cao, nơi ánh sáng tồn tại khoảng 330 femtogiây;
các hốc được điều chỉnh ở những mức năng lượng khác nhau, từ +20 đến −110 milielectronvolt, bao trùm các điều kiện của báo cáo trước đó;
một màng trần và một “hốc mở” chỉ có tấm gương dưới.

Trong mọi hốc, ánh sáng và phân tử đều nằm chắc chắn trong chế độ liên kết mạnh, với độ tách khoảng 100 milielectronvolt.

Cùng một quá trình phân hạch, ở mọi nơi

Trong mọi trường hợp, quá trình phân hạch diễn ra gần như không thay đổi. Cùng một mô hình với cùng các tốc độ mô tả được cả hốc mở lẫn hai hốc liên kết mạnh: bước đầu tiên của phân hạch diễn ra với tốc độ 130 lần mỗi nanogiây ở cả ba. Thay đổi mức điều chỉnh cũng không tạo ra khác biệt.

Nhóm có thấy những thay đổi nhỏ trong phổ, nhưng các mô phỏng quang học chi tiết tái hiện chúng như những hiệu ứng giao thoa trong gương, chứ không phải những thay đổi quang vật lý. Một kỹ thuật thứ ba, độc lập, là cộng hưởng thuận từ điện tử phân giải theo thời gian, thăm dò spin của các triplet thông qua từ tính chứ không phải ánh sáng, và cho thấy cùng một tín hiệu triplet khi có và không có hốc.

Một chi tiết cho thấy việc bị đánh lừa dễ dàng đến mức nào. Quá trình phân hạch nhanh hơn khoảng 20% trong các hốc so với trên màng trần, nhưng cũng nhanh y như vậy trong hốc mở, vốn không có gương trên và không có liên kết mạnh. Các tác giả quy điều này cho sự tiếp xúc với lớp titan dioxide của tấm gương dưới.

Ý nghĩa đối với hóa học trong hốc cộng hưởng

Các tác giả viết rằng kết quả “gieo một mối nghi ngờ đáng kể” lên báo cáo trước đây về sự phân hạch bị polariton làm thay đổi ở rubrene, và phù hợp với nghiên cứu về TIPS-pentacene: kho khổng lồ những trạng thái phân tử không liên kết chi phối động học. Họ cho rằng những thay đổi trước đây nhiều khả năng đến từ sai lệch quang học, hiệu ứng bề mặt hoặc các quá trình bậc hai trong đó các trạng thái kích thích hủy lẫn nhau, và bất kỳ tuyên bố nào trong tương lai về hóa học được hốc cộng hưởng điều khiển đều nên loại trừ những khả năng này trước. Họ lập luận rằng thăm dò bên ngoài dải phản xạ của gương là một cách đơn giản để làm điều đó.