Trong thế giới Lilliputian của vật lý chất rắn, ánh sáng và vật chất tương tác với nhau theo những cách kỳ lạ và có sự trao đổi năng lượng qua lại giữa chúng.

"Khi ánh sáng và vật chất tương tác với nhau, chúng trao đổi năng lượng," Joel Yuen-Chu, trợ lý giáo sư hóa học và hóa sinh học tại UC San Diego và là tác giả đầu tiên của bài báo giải thích. "Năng lượng có thể qua lại giữa ánh sáng trong một kim loại (được gọi là plasmon) và ánh sáng trong một phân tử (được gọi là exciton). Khi sự trao đổi này nhanh hơn nhiều so với tốc độ phân rã của nó, bản sắc riêng của chúng bị mất đi, khi đó chúng như là các hạt hỗn hợp, exciton và plasmon kết hợp tạo thành những plexcitons ".

Các nhà khoa học vật liệu đã tìm cách để tăng cường quá trình chuyển giao năng lượng exciton (EET) để tạo ra các pin năng lượng mặt trời tốt hơn cũng như mạch quang tử nhỏ hơn hàng chục lần so với silicon.

"Hiểu được cơ chế cơ bản của việc thúc đẩy EET sẽ làm thay đổi cách chúng ta vẫn nghĩ về thiết kế pin năng lượng mặt trời hoặc những cách thức mà năng lượng được vận chuyển trong các vật liệu quy mô nano," Yuen-Zhou nói.

Tuy nhiên, nhược điểm của EET, đó là chỉ truyền năng lượng trong khoảng cực kỳ ngắn chỉ 10 nanomet (10-8m), và nhanh chóng mất đi khi exciton tương tác với các phân tử khác.

Một giải pháp để tránh những mất mát này là lai ghép exciton trong một tinh thể phân tử với kích thích chung trong kim loại để tạo ra plexcitons có thể di chuyển 20.000 nm.

Plexcitons được kỳ vọng trở thành một phần không thể thiếu của thế hệ mạch nanophotonic, một cấu trúc năng lượng mặt trời khai thác ánh sáng và các thiết bị xúc tác hóa học. Nhưng có một vấn đề với plexcitons là chúng di chuyển dọc theo tất cả các hướng, điều này dẫn đến khó khai thác đúng cách trong một vật liệu hoặc một thiết bị.

Yuen-Zhou và một nhóm các nhà vật lý và kỹ sư tại MIT và Harvard đã tìm thấy một giải pháp cho vấn đề này bằng cách nghĩ ra các hạt kỹ thuật gọi là "plexcitons topo", dựa trên cách mà các nhà vật lý chất rắn đã phát triển vật liệu được gọi là "chất cách điện tô pô."

Yuen-zhou nói: "Tính năng thú vị của chất cách điện tô pô là ngay cả khi vật liệu là không hoàn hảo và có tạp chất, thì vẫn có một ngưỡng hoạt động lớn mà các electron bắt đầu đi dọc theo một hướng, làm cho việc vận chuyển electron trở nên mạnh mẽ".

Plexciton trái ngược với các electron, không có điện tích. Tuy nhiên, như Yuen-Zhou và đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra, chúng vẫn thừa hưởng những tính chất định hướng mạnh mẽ này. Bổ sung thêm tính năng "tô pô" cho plexciton làm gia tăng khả năng định hướng của EET. Điều này sẽ cho phép các kỹ sư để tạo các chuyển đối plexcitonic để phân phối năng lượng chọn lọc giữa các thành phần khác nhau của một loại tế bào năng lượng mặt trời mới hoặc các thiết bị khai thác ánh sáng.