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2018-05-24 11:24 |
中科院化學(xué)所首次利用靜電場在微納體系打破光傳輸?shù)膶ΨQ性
與p-n結(jié)在微電子器件中的作用一樣，光學(xué)二極管在光子回路中的作用至關(guān)重要。不同于電子的運(yùn)動行為，光子傳輸通常是互易的，而且光子是不帶電荷、沒有靜質(zhì)量的玻色子，其傳輸行為很難通過一般手段進(jìn)行操縱。如何打破光子傳輸?shù)臅r間反演對稱性，實現(xiàn)適用于片上集成的非互易光學(xué)元件一直是集成光電子領(lǐng)域面臨的難題。目前打破光傳輸互易性的方法主要是利用特定材料的磁光效應(yīng)，通過外加強(qiáng)磁場來實現(xiàn)光學(xué)二極管功能。但是磁光響應(yīng)速度慢，強(qiáng)磁場體積龐大且難以作用到器件的局部區(qū)域，因此傳統(tǒng)的磁光效應(yīng)尚無法應(yīng)用到集成光子芯片。發(fā)展新型非磁光學(xué)二極管和隔離器，在光學(xué)集成領(lǐng)域多年來一直沒有實質(zhì)性突破。 p+CK+m
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中國科學(xué)院化學(xué)研究所光化學(xué)重點實驗室研究員趙永生課題組的研究人員在前期研究工作中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)微納晶體材料在激發(fā)狀態(tài)下所形成的定域在單個分子上的Frenkel激子，相比于無機(jī)材料中的Wannier激子，具有更高的結(jié)合能和更長的激發(fā)態(tài)壽命，因此容易與光子耦合，從而形成激子極化激元（Exciton Polariton）（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7276-7279；Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3448-3458; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7125-7129 ）。這是一種半光半物質(zhì)的新的量子態(tài)，兼具光子和激子的屬性。雖然光子本身的行為是很難進(jìn)行人為操縱的，但是激子極化激元的形成，使得人們有可能通過對激子的操縱來間接地操縱光子（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2880-2883; Adv. Mater. 2012, 24, 1703-1708; Adv. Mater. 2013, 25, 2854-2859; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2122-2125; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11329-11332. ）。Frenkel激子本是可以看作電偶極子，因此外加電場可以引起激子擴(kuò)散、分離、復(fù)合等行為的改變。 e!w#{</8Q
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最近他們與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，清華大學(xué)及美國西北大學(xué)的研究人員合作，首次利用靜電場對激子擴(kuò)散行為的影響，在單根有機(jī)半導(dǎo)體納米線中打破了光傳輸?shù)膶ΨQ性。他們將單根有機(jī)單晶納米線波導(dǎo)材料置于一個外加電場中，電場與激子偶極相互作用，產(chǎn)生一個額外的作用勢能，從而引起激子密度沿電場矢量方向重新分布。其結(jié)果是原本向納米線的兩個相反方向上等量對稱傳輸?shù)募ぷ�，在電場作用下發(fā)生了重新分配，而使得納米線的兩端輸出的激子數(shù)目不再對等。由于激子與光子處于耦合狀態(tài)，因此電場的引入可以同時打破光傳輸?shù)膶ΨQ性，實現(xiàn)電場控制的光學(xué)二極管功能（圖1 A,B）。 C#. 27ah
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