美研制出超快發(fā)光二極管 打破分子熒光速度紀錄

美國杜克大學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)射光子的速度紀錄，是普通級的1000倍，朝著實現(xiàn)超快速LED和量子密碼學邁出了重要一步。該研究結(jié)果刊登在10月12日的《自然·光子學》在線版上。

今年的諾貝爾物理學獎被授予在20世紀90年代初發(fā)明的藍色發(fā)光二極管的科學家，因該發(fā)明促進了新一代明亮節(jié)能的白色熒光燈以及彩色LED屏幕的發(fā)展。然而，這個巨大研究成果在開關(guān)時的慢速度卻限制了其作為以光源為基礎(chǔ)的通信。在一個LED里，一眨眼的功夫原子被迫發(fā)射約1000萬個光子。而現(xiàn)代通信系統(tǒng)，運行速度比LED發(fā)射光子的速度快近千倍。為了實現(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)射率達到前所未有的水平。該大學電氣與計算機工程和物理助理教授麥肯·米克爾森說：“本研究的目標應(yīng)用之一是超高速LED。雖然未來的設(shè)備可能不使用這個精確方法，但對基礎(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)物理學家組織網(wǎng)10月13日報道，在實驗中，他的團隊制造了75個銀納米立方體，并困住其內(nèi)的光，大大增加了光的強度。當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、這所大學電氣和計算機工程的教授大衛(wèi)·史密斯、詹姆斯·B主任的幫助下，采用計算機模擬精確確定了納米立方和黃金薄膜之間所需間隙大?。壕谷恢挥?0個原子寬。研究人員說：“我們可以選擇具有合適尺寸的立方體，使這個縫隙具有納米級的精度，從而創(chuàng)紀錄地提升熒光速度達1000倍。”

因為實驗使用了許多隨機排列的分子，研究人員相信還能夠做得更好。他們計劃將個別熒光分子精確置于單個納米立方體，從而實現(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。”