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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 中國科學(xué)院化學(xué)研究所光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)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。 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(gè)外加電場中，電場與激子偶極相互作用，產(chǎn)生一個(gè)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(gè)相反方向上等量對稱傳輸?shù)募ぷ樱陔妶鲎饔孟掳l(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(shí)打破光傳輸?shù)膶ΨQ性，實(shí)現(xiàn)電場控制的光學(xué)二極管功能（圖1 A,B）。 研究發(fā)現(xiàn)，這樣產(chǎn)生的光二極管效應(yīng)對電場的響應(yīng)速度非�？欤�<3 ns，圖1F）。通過改變電場強(qiáng)度，可以對光學(xué)二極管行為進(jìn)行調(diào)控；當(dāng)電場方向發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，不對稱性也相應(yīng)地發(fā)生反轉(zhuǎn)。在此基礎(chǔ)上，研究人員對有機(jī)納米線光學(xué)材料施加一個(gè)高頻脈沖交流電場，當(dāng)電場方向發(fā)生快速轉(zhuǎn)換時(shí)，光子向兩邊傳輸?shù)牟粚ΨQ性可以進(jìn)行快速切換，利用一個(gè)控制信號(hào)，在納米線的兩端得到相位相反的交變輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了高頻率、快速響應(yīng)的單刀雙擲微納光開關(guān)（圖1G）。這是首次在微納結(jié)構(gòu)中通過外加靜電場調(diào)控光子行為來實(shí)現(xiàn)這一功能，這一結(jié)果為實(shí)現(xiàn)對光子學(xué)功能器件的遠(yuǎn)程控制，優(yōu)化集成光子器件結(jié)構(gòu)提供了重要借鑒，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Science Advances 2018, 4, eaap9861。  圖1.基于電場控制的光子不對稱傳輸實(shí)現(xiàn)超快響應(yīng)單刀雙擲光開關(guān) 關(guān)鍵詞： 光子
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