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美國研發高速LED用於光通訊 速度提升千倍

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美國杜克大學研究人員最新研製出超快LED,打破了螢光分子發射光子的速度紀錄,是普通級的1000倍,朝著實現超快速LED和量子密碼學邁出了重要一步。該研究結果刊登在10月12日的《自然•光子學》線上版上。

今年的諾貝爾物理學獎被授予在20世紀90年代初發明的藍光LED的科學家,因該發明促進了新一代明亮節能的LED燈以及彩色LED螢幕的發展。然而,這個巨大研究成果在開關時的慢速度卻限制了其作為以光源為基礎的通訊。在一個LED裡,一眨眼的功夫原子被迫發射約1000萬個光子。而現代通訊系統,運行速度比LED發射光子的速度快近千倍。為了實現基於LED的光通訊,研究人員必須提速光子發光材料。

在新研究中,這所大學的工程師通過在金屬奈米立方體和黃金膜之間添加螢光分子,加速其光子發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:「本研究的目標應用之一是超高速LED。雖然未來的設備可能不使用這個精確方法,但對基礎物理卻至關重要。」

米克爾森是研究金屬內電磁場和自由電子之間相互作用的專家。據物理學家組織網10月13日報導,在實驗中,他的團隊製造了75個銀奈米立方體,並困住其內的光,大大增加了光的強度。當螢光分子被放置在密集的光旁,分子發射光子的速度通過「珀塞爾效應」強化而更快。他們發現,將螢光分子放置在黃金薄膜和奈米金屬的縫隙之間,它們的速度可以得到明顯提升。

要達到最大效應,研究人員需要調整間隙的諧振頻率以匹配分子響應的彩色光。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•史密斯、詹姆斯•B主任的幫助下,採用計算機模擬精確確定了奈米立方和黃金薄膜之間所需間隙大小:竟然只有20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,使這個縫隙具有奈米級的精度,從而創紀錄地提升螢光速度達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。他們計劃將個別螢光分子精確置於單個奈米立方體,從而實現螢光分子發射光子的更高速率。

研究人員說:「如果我們能準確設置分子,其將不只是快速的LED,還可以有許多應用。如製造用於量子密碼系統的快速單光子源,這種技術將支持安全通訊,避免駭客入侵。」