工程师们开发了一种超快光脉冲的新方法

时间：2021-12-31 10:25:06 来源：

在此图像中，光照射到沉积在金属基材上的分子晶格。分子可以与下面的金属快速交换能量，这种机理导致从晶格发出荧光的响应时间大大加快。

一组工程师开发了一种用于超快光脉冲的新方法，该方法可用于基于快速光的通信系统。

称为分子聚集体的二维材料是非常有效的发光器，其工作原理与典型的有机发光二极管（OLED）或量子点不同。但是它们作为新型光电器件组件的潜力受到它们相对较慢的响应时间的限制。现在，麻省理工学院，加州大学伯克利分校和东北大学的研究人员已经找到了克服这一局限性的方法，从而有可能为这些材料开辟各种应用。

麻省理工学院机械工程副教授Nicholas X. Fang，博士后Qing Hu和Dafei Jin以及其他五位论文在《美国国家科学院院刊》上描述了这一发现。

Fang和他的团队发现，延长这些2-D分子聚集体（2DMA）响应时间的关键是将这种材料与诸如银之类的金属薄层耦合。2DMA与仅几纳米远的金属之间的相互作用将材料的光脉冲速度提高了十倍以上。

这些2DMA材料表现出许多不同寻常的特性，并已被用于在室温下生成异物形式的物质，称为Bose-Einstein冷凝物，而其他方法则需要进行极端冷却。它们还已应用于太阳能电池和光收集有机天线等技术中。但是，这项新工作首次证明了非常紧密的金属片对这些材料发光的方式可能产生的强大影响。

为了使这些材料在光子芯片等设备中有用，这些设备像半导体芯片一样，但是使用光而不是电子来执行其工作，因此“挑战在于如何快速打开和关闭它们”，而这还没有实现。方说，以前有可能。

方说，在金属基板附近的情况下，发光的响应时间从60皮秒（万亿分之一秒）降至2皮秒。“这非常令人兴奋，因为即使在材料距离表面5到10纳米的情况下，我们也观察到了这种效果，”并且在两者之间有一层聚合物间隔层。足够的分离使得大量制造这样的配对材料不应该是一个过分苛刻的过程。他说：“我们认为这可以适用于卷对卷打印。”

方说，如果用于信号处理，例如通过光而不是通过无线电波发送数据，这种进步可能导致大约40 GHz的数据传输速率，这是此类设备目前可提供的传输速度的八倍。他警告说，这是“非常有希望的一步，但还很早”。

该团队仅研究了已开发的多种分子聚集体中的一种，因此仍然有机会找到更好的变异体。方说：“实际上，这是一个非常丰富的发光材料家族。”

由于材料的响应能力受附近金属基材的精确接近程度的强烈影响，因此此类系统也可用于非常精确的测量工具。Fang说：“由于间隙大小的影响，相互作用减小了，因此，如果我们要测量表面的接近度，现在可以使用它。”

随着研究小组继续对这些材料进行研究，下一步是研究金属表面构图可能产生的影响，因为到目前为止，这些测试仅使用平坦的表面。要解决的其他问题包括确定这些材料的使用寿命以及如何扩展它们。

方说，使用该系统的设备的第一个原型可能会在“一年左右的时间内”生产出来。

该团队还包括麻省理工学院的Soon Hoon Nam。肖军，刘晓泽和张翔，加州大学伯克利分校。和东北大学的刘永民。这项工作得到了美国国家科学基金会，马斯达尔科学技术学院和阿卜杜拉国王科技大学的支持。

出版物：Qing Hu等人，“二维分子聚集体中金属介导的偶极-偶极相互作用引起的超快荧光衰减”，PNAS，2017年；土井：10.1073 / pnas.1703000114

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