科學(xué)家設(shè)計能量攜帶粒子稱為拓?fù)銹lexcitons

加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的科學(xué)家們設(shè)計了“拓?fù)鋚lexcitons”，這種能量攜帶顆粒有助于設(shè)計新型太陽能電池和微型光學(xué)電路。

研究人員在Nature Communications上發(fā)表的一篇文章中報道了他們的進(jìn)展。

在Lilliputian固態(tài)物理世界中，光和物質(zhì)以奇怪的方式相互作用，在它們之間來回交換能量。

“當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，它們會交換能量，”加州大學(xué)圣地亞哥分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)助理教授，該論文的第一作者Joel Yuen-Zhou解釋道。“能量可以在金屬中的光(所謂的等離子體激元)和分子中的光(所謂的激子)之間來回流動。當(dāng)這種交換比它們各自的衰減速度快得多時，它們的個體身份就會丟失，將它們視為混合粒子更為準(zhǔn)確; 激子和等離子體結(jié)合形成plexcitons。“

材料科學(xué)家一直在尋找方法來增強(qiáng)稱為激子能量轉(zhuǎn)移(EET)的過程，以創(chuàng)造更好的太陽能電池以及比硅同類產(chǎn)品小幾十倍的微型光子電路。

“理解EET增強(qiáng)的基本機(jī)制將改變我們對太陽能電池設(shè)計的思考方式，或改變納米級材料中能量傳輸?shù)姆绞剑?rdquo;Yuen-Zhou說。

然而，EET的缺點(diǎn)是這種形式的能量轉(zhuǎn)移是極短距離的，僅在10納米(1億分之一米)的范圍內(nèi)，并且當(dāng)激子與不同分子相互作用時迅速消散。

避免這些缺點(diǎn)的一種解決方案是將分子晶體中的激子與金屬內(nèi)的集體激發(fā)雜化以產(chǎn)生plexcitons，其行進(jìn)20,000納米，長度大約為人類頭發(fā)的寬度。

Plexcitons有望成為下一代納米光子電路，光捕獲太陽能結(jié)構(gòu)和化學(xué)催化裝置的組成部分。但Yuen-Zhou表示，plexcitons的主要問題是它們沿著各個方向運(yùn)動，這使得它很難在材料或裝置中正確利用。

他和麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的物理學(xué)家和工程師團(tuán)隊通過基于固態(tài)物理學(xué)家能夠開發(fā)出稱為“拓?fù)浣^緣體”的概念的工程粒子“拓?fù)鋮?rdquo;找到了解決該問題的方案。

“拓?fù)浣^緣體是大體上完美的電絕緣體，但其邊緣表現(xiàn)為完美的一維金屬電纜，”Yuen-Zhou說。“拓?fù)浣^緣體的令人興奮的特點(diǎn)是，即使材料不完美且有雜質(zhì)，也有很大的操作閾值，其中沿一個方向開始行進(jìn)的電子不能反彈，使電子傳輸變得穩(wěn)健。換句話說，人們可能會想到電子對雜質(zhì)是盲目的。“

與電子相反，Plexcitons沒有電荷。然而，正如Yuen-Zhou和他的同事發(fā)現(xiàn)的那樣，他們?nèi)匀焕^承了這些強(qiáng)大的方向性。將這種“拓?fù)?rdquo;特征添加到plexcitons會產(chǎn)生EET的方向性，這是研究人員之前沒有想到的特征。這最終使工程師能夠創(chuàng)建plexcitonic開關(guān)，以選擇性地將能量分配到新型太陽能電池或光捕獲設(shè)備的不同組件上。