美研制出超快發(fā)光二極管 打破分子熒光速度紀(jì)錄

美國杜克大學(xué)研究人員最新研制出超快發(fā)光二極管(LED)，打破了熒光分子發(fā)射光子的速度紀(jì)錄，是普通級(jí)的1000倍，朝著實(shí)現(xiàn)超快速LED和量子密碼學(xué)邁出了重要一步。該研究結(jié)果刊登在10月12日的《自然·光子學(xué)》在線版上。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予在20世紀(jì)90年代初發(fā)明的藍(lán)色發(fā)光二極管的科學(xué)家，因該發(fā)明促進(jìn)了新一代明亮節(jié)能的白色熒光燈以及彩色LED屏幕的發(fā)展。然而，這個(gè)巨大研究成果在開關(guān)時(shí)的慢速度卻限制了其作為以光源為基礎(chǔ)的通信。在一個(gè)LED里，一眨眼的功夫原子被迫發(fā)射約1000萬個(gè)光子。而現(xiàn)代通信系統(tǒng)，運(yùn)行速度比LED發(fā)射光子的速度快近千倍。為了實(shí)現(xiàn)基于 LED的光通信，研究人員必須提速光子發(fā)光材料。

在新研究中，這所大學(xué)的工程師通過在金屬納米立方體和黃金膜之間添加熒光分子，加速其光子發(fā)射率達(dá)到前所未有的水平。該大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程和物理助理教授麥肯·米克爾森說：“本研究的目標(biāo)應(yīng)用之一是超高速LED。雖然未來的設(shè)備可能不使用這個(gè)精確方法，但對(duì)基礎(chǔ)物理卻至關(guān)重要。”

米克爾森是研究金屬內(nèi)電磁場和自由電子之間相互作用的專家。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)10月13日?qǐng)?bào)道，在實(shí)驗(yàn)中，他的團(tuán)隊(duì)制造了75個(gè)銀納米立方體，并困住其內(nèi)的光，大大增加了光的強(qiáng)度。當(dāng)熒光分子被放置在密集的光旁，分子發(fā)射光子的速度通過“珀塞爾效應(yīng)”強(qiáng)化而更快。他們發(fā)現(xiàn)，將熒光分子放置在黃金薄膜和納米金屬的縫隙之間，它們的速度可以得到明顯提升。

要達(dá)到最大效應(yīng)，研究人員需要調(diào)整間隙的諧振頻率以匹配分子響應(yīng)的彩色光。在該論文的共同作者、這所大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程的教授大衛(wèi)·史密斯、詹姆斯·B主任的幫助下，采用計(jì)算機(jī)模擬精確確定了納米立方和黃金薄膜之間所需間隙大小：竟然只有20個(gè)原子寬。研究人員說：“我們可以選擇具有合適尺寸的立方體，使這個(gè)縫隙具有納米級(jí)的精度，從而創(chuàng)紀(jì)錄地提升熒光速度達(dá)1000倍。”

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)使用了許多隨機(jī)排列的分子，研究人員相信還能夠做得更好。他們計(jì)劃將個(gè)別熒光分子精確置于單個(gè)納米立方體，從而實(shí)現(xiàn)熒光分子發(fā)射光子的更高速率。

研究人員說：“如果我們能準(zhǔn)確設(shè)置分子，其將不只是快速的LED，還可以有許多應(yīng)用。如制造用于量子密碼系統(tǒng)的快速單光子源，這種技術(shù)將支持安全通信，避免黑客入侵。”