有机半导体注入的光子能显著提高极化激元的输运距离

       极化激子同时代表了完全不同的两个世界。这些混合粒子可以与光子以及有机材料的分子等结合，使其成为有机半导体内部能量传导的理想介质。此外，它们不仅可以兼容现代电子设备，并且入射光粒子意味着极快的传播速度。

图1 极化激元艺术效果图。（图片来源：Pixabay/CC0 Public Domain）

       然而，他们难以捕获和操控，并且许多动力学行为仍是物理理论领域的一大空白。

       由康奈尔大学文理学院化学与化学生物专业助理教授，Andrew Musser主持的项目已经发现一种调节粒子能流速度的方法。这种“节流阀”可以将偏振激光器从几乎停滞的状态调节到近光速状态，并增加它们的作用距离——这种方法可能制造更高效的太阳能电池、传感器和LED。

       该团队研究成果以论文形式“Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization”于4月27日发表在期刊《Advanced Science》上，该论文第一作者是剑桥大学Raj Pandya。

       在过去的几年里，Musser教授及其谢菲尔德大学合作者已开发出一种方法——通过薄型三明治结构的镜子——微腔来产生极化激元。激子是一种可移动能束，由一对相互束缚的电子-空穴对组成，这种结构可以捕获光子并促使光子与激子相互作用。

       在先前研究中，该团队利用一系列激光脉冲，发挥类似超高速摄像机的作用，来实时测量微腔结构中的能量传导状态。然而，该团队同样遇到了难题，极化激子的动力学非常复杂，因此，如何解释测量数据也是一个艰难的过程。

       “我们的发现完全出乎意料，所以这些数据搁置了整整两年，在此期间，我们在求解数据的物理意义。”

       最终，研究人员意识到，通过在微腔谐振器中加入更多的镜子提高反射率，同时能给极化激元施加压力。

       “我们改变这些粒子的运动速度是之前文献中基本没有的，” 他说，“但是现在，我们不仅证实了将材料放入这些结构中使粒子移动速度更快，而且我们可以实际控制它们的移动速度。这为我们提供了一个非常清晰的路线图，告诉我们改进速度的方向。”

       在典型的有机材料中，处于第一激发态的移动速度约为10 nm/ns，这大致相当于世界短跑冠军Usain Bolt的速度。

       他指出，这对人类说可能很快，但在纳米尺度上，这是一个相当缓慢的过程。

       相比之下，微腔技术反射极化激元的速度要比运动速度快十万倍——大约是光速的1%。虽然这种传输寿命极短——在皮秒量级之下，比1 ps小1000倍，而非纳米量级——但极化子的运动距离要远50倍。

       “绝对速度并不一定重要，”Musser教授说，“更有用的是距离，因此，如果他们可以传输几百纳米，那么当设备微型化时，比如起始点和终点之间的距离只有10 nm，它们的传输损耗几乎为零，这就是该研究工作的真正意义。”

       这使得物理学家、化学家、材料科学家更接近他们的期望，那就是创造新型、高效的器件结构，以及不受过热效应影响的下一代电子设备。

       “许多使用激子而非电子的技术只能在低温下工作，”马瑟说，“但是有机半导体在室温下有许多有趣、引人注目的现象。因此，若能更好地理解极化激元行为，并将这些现象一起输入到新型激光器、量子模拟器甚至计算机中，将会开发出更多的应用。”

[1] Pandya, R., et al., Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization. Adv. Sci. 2022, 2105569. https://doi.org/10.1002/advs.202105569