荧光加速——为LED“提速”

晓说

美国杜克大学研究人员研制出的荧光分子，其发射光子的速度比普通荧光分子快1000倍。创造了荧光分子发射光子的速度纪录，并推动了超快速发光二极管（LED）和量子密码学的发展。 由于蓝光二极管使节能灯、电脑显示屏等的出现成为可能，今年的诺贝尔物理学奖授予蓝色发光二极管的发明家。虽然这个研究成果在照明和显示上有巨大影响，但LED开关时的速度缓慢限制了其在以光源为基础的通信上的应用。 在LED里，一眨眼的功夫原子即发射约1000万个光子。但是，现代通信系统运行速度比LED发射光子的速度快近千倍。为了实现基于LED的光通信，研究人员必须使光子发光材料提速。 在新的研究中，这所大学的工程师通过将荧光分子置于金属[color=rgb(68,68,68) !important]纳米立方体和黄金膜之间，使其光子发射率加速达到前所未有的水平。 该大学电气与计算机工程和物理助理教授Maiken Mikkelsen说：“本研究的目标应用之一是超高速LED。虽然未来的设备可能不使用这个精确方法，但这对基础物理至关重要。” Mikkelsen专修等离子体，是研究金属内电磁场和自由电子之间相互作用的专家。在实验中，她的团队合成了75个银纳米立方体，并困住其内的光，大大增加了光的强度。 当荧光分子放置在强光旁时，分子发射光子的速度通过“珀塞尔效应”强化而更快。他们发现，将荧光分子放置在黄金薄膜和纳米金属的缝隙之间，它们的速度可以得到明显提升。 为了达到最好效果，研究人员需要调整间隙的谐振频率以匹配分子响应的彩色光。在该论文的共同作者David R. Smith的帮助下，他们采用计算机模拟确定了纳米立方和黄金薄膜之间所需间隙的精确大小。 研究者们说：“我们可以选择具有合适尺寸的立方体，使这个缝隙具有纳米级的精度，当我们实现分子与立方体的大小和间隙完全一致时，便可以看到荧光速度创纪录地提升达1000倍。” 因为实验使用了许多随机排列的分子，研究人员相信还能够做得更好。他们将设计一个系统，可以将单个荧光分子精确置于单个纳米立方体。通过将荧光分子置于立方体角落的边上，便可实现更高速率的光子发射。 研究人员说：“如果我们能准确定位分子，高速荧光可以应用于许多领域而不只是高速LED。如制造用于量子密码系统的快速单光子源，这种技术将支持安全通信，避免黑客入侵。”

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