前沿動態(tài)

納米LED在生物醫(yī)學設備中的潛在應用

基于液相無機納米晶體的發(fā)光二極管(LED)因為廉價且化學性質穩(wěn)定而有望應用于生物醫(yī)學診斷中，但由于難以實現紫外線發(fā)射，其研究一直未取得大的突破。

日前，美國洛斯阿莫斯國家實驗室Sergio Brovelli研究組與意大利米蘭比可卡大學Alberto Paleari研究組合作，開發(fā)出一種嵌入半導體納米粒子的玻璃基無機LED。在這種設備中，二氧化錫納米顆粒被包裹在一氧化錫里，并嵌入玻璃材料，玻璃基材料能在紫外光譜中發(fā)光，并集成到芯片上。通過調整納米顆粒外殼的厚度就可以控制整個材料的電響應。這種設備結合了玻璃的化學穩(wěn)定性與機械穩(wěn)定性，并具有導電性與電致發(fā)光性能，因此可以在惡劣的環(huán)境下使用(如浸泡在生理溶液中或直接植入人體)，并有望用于制造生物醫(yī)學設備。

相關研究工作發(fā)表在Nature Communications上(文章標題:Fully inorganic oxide-in-oxide ultraviolet nanocrystal light emitting devices)。

用單光子實現兩單分子間通訊

據美國物理學家組織網報道，瑞士蘇黎世聯邦理工學院和德國馬克斯·普朗克研究所的科學家用單個光子激發(fā)單個分子，實現了兩個單分子間的信號傳送。在實驗中，可讓單個分子模擬光頻，將單光子流傳遞給相距數米的另一個分子，如同兩個站點之間的無線電通訊。這為開展以單光子作為量子信息載體，由單個發(fā)射器進行信息處理的進一步研究鋪平了道路。相關研究結果發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。

過去20年，科學家已證明能探測到單個分子，也能生成單光子。然而，單個分子發(fā)現并吸收單光子的幾率很低，由光子激發(fā)分子仍難以捉摸，因而通常需要每秒釋放數十億光子來轟擊分子，才能從中獲得一個信號。規(guī)避這一物理學難題的一般方式是在原子周圍構建一個腔洞，使光子能夠長久囚禁其中，從而保持兩者良好的互動幾率。

此次實驗的挑戰(zhàn)之一，是獲取具有適當頻率和帶寬的單光子來源?？蒲行〗M利用了一個事實:當一個原子或分子吸收單光子時，它將過渡到激發(fā)態(tài)。在幾納秒后，激發(fā)態(tài)將衰變?yōu)樽畛醯幕鶓B(tài)，并放射出單個光子。

在實驗中，研究人員將兩個嵌入有機晶體之中的熒光分子樣本冷卻至－272℃。每個樣本中的單個分子都能由光譜選擇結合空間。為了生成單光子，單個分子將從“源頭”樣本中激發(fā)而出。當分子的激發(fā)態(tài)衰變時，放射出的光子將緊緊聚集于距離幾米之外的另一個“目標”樣本之上。為了保證樣本中的單個分子能夠“看到”入射的光子，研究小組必須保證它們處于同一頻率。此外，珍貴的單光子也需要與單個目標分子進行有效互動。

科學家表示，這是兩個量子光學天線之間長距離通訊的首個例子。單個分子一般大小為1 nm，而聚集的光束卻不能小于數百納米。這通常意味著大多數的入射光都會環(huán)繞分子進行運動，而無需“看見”對方。然而，如果入射光子與分子的量子力學過渡產生共鳴，在這個過程中，分子可像天線一般發(fā)揮作用，抓住其附近的光波。

科學家實現快速操控光的量子狀態(tài)

據美國物理學家組織網報道，科學家一直希望用光子代替電子實現更快捷安全的光通訊，現在，科學家們成功證明，他們能更快速地(在幾納秒內)控制與目前光通訊網絡中所用光波波長一樣的光子路徑和偏振，新光子電路可整合進現有的光通訊網絡中，從而顯著改進網絡的性能。最新研究朝實現光量子通訊邁近了一步。

英國布里斯托大學、赫瑞瓦特大學、荷蘭卡弗里納米科學研究所的科學家們將這項快速控制單光子路徑和偏振的研究發(fā)表在最新一期《物理評論快報》雜志上。

他們在對一個由電路組成的量子光學設備進行研究時發(fā)現，單個光子會移動穿過這些電路，這些電路也能被重新配置從而改變光子路徑和偏振方向。然而，這種量子光學電路無法快速操縱單光子和多光子的狀態(tài)。為了解決這一問題，他們使用了可在現有通訊調制器中進行快速操縱的鈮酸鋰波導，并證明對電極附近的波導施加電壓能快速操控由波長為1550 nm的一個或兩個光子組成的光的量子(包括路徑和偏振)狀態(tài)，該波長正是現有通訊網絡中采用的波長。

領導該項研究的布里斯托大學的達米恩·博諾表示:“在這個實驗中，我們演示了兩種電路配置，每種電路配置都會導致不同的量子狀態(tài)，一次配置僅需幾納秒，而在以前的實驗中，每幾秒才能對電路進行一次重新配置?，F在的通訊網每天都在使用由同樣技術制成的開關來傳遞由光脈沖編碼的信息字節(jié)，從原理上來講，這樣的開關也能用于單光子層面?！?/p>

博諾表示:“迄今為止，在芯片上操縱光的量子狀態(tài)一直依靠加熱器，其能作為慢速移相器來使用。最新研究表明，鈮酸鋰波導能采用一種與以前迥然不同的方法來更快速地操控光的量子狀態(tài)?，F在，我們不僅能打開和關閉光包以便按規(guī)定路線發(fā)送傳統(tǒng)信息，也能夠快速處理和操縱光的量子狀態(tài)?！?/p>

科學家們指出，能在單個平臺上快速控制單光子的偏振和路徑對基礎量子科學和量子技術來說至關重要。博諾表示，制造這些設備的鈮酸鋰材料也能隨機產生光子，另外，具有超導性的單光子探測器也能被整合在這樣的芯片上。一個結合了能隨機產生光子的光源、電路以及探測器的技術平臺可用于以下幾方面:通過對幾個光子來源進行多路傳輸從而獲得可靠的單光子源、長距離量子通訊需要使用的量子繼電器、量子密碼學中用到的量子密鑰分配等。

以前有些老式收音機使用電子管，每次工作前都要預熱。隨著晶體管的應用，預熱時間就被節(jié)省下來了。如今，光量子調制設備領域也出現了類似的進步——以前用加熱器，幾秒鐘才能重新配置電路，現在幾納秒就可以切換到另一個電路。使用鈮酸鋰材料作波導設備，在調制解調器時代是很平常的技術手段。但誰能想到，平平無奇的光電轉化設備稍加變化，可以幫助最前沿的光量子通訊研究取得突破?現在隨著光源、電路和探測器整合到一起，量子通訊研究者的工作量可以減輕不少了。一種采用金屬鎢或鉭制造可耐受1200℃高溫的光子晶體途徑。這種材料可廣泛應用于智能手機、紅外化學探測器和傳感器、深度探索太空的宇宙飛船等供電裝置。相關論文刊登在最新一期的美國《國家科學院院刊》上。

光子晶體指能對光作出反應的特殊晶格，是可影響光子運動的規(guī)則光學結構，類似于半導體晶體對于電子行為的影響。其晶格尺寸與光波的波長相當，是不同折射率的電介質材料在空間呈周期性排列構成的晶體結構。

耐上千攝氏度高溫的光子晶體問世

據美國物理學家組織網近日報道，美國麻省理工學院(MIT)的一個研究小組找到了

MIT軍用納米技術研究所工程師賽拉諾維奇表示，幾乎完全可以采用標準的微細加工技術和現有設備將這種新型耐高溫二維光子晶體制造成計算機芯片。與早期制造的高溫光子晶體的方法相比，采用新方法制造出的材料具有“性能好、操作簡單、堅固耐用”等特點，適合低成本的大規(guī)模生產。

因為這種材料具有為深度探索太空提供永續(xù)動力的潛力，美國國家航空航天局也對其很感興趣。完成這樣的任務通常利用少量的放射性物質的能量，采用放射性同位素熱電源(RTG)。例如，計劃在今年夏天抵達火星的“好奇”號探測器使用的就是RTG系統(tǒng)，它可以連續(xù)不間斷作業(yè)多年，而不像太陽能供電站，到了冬天就會出現發(fā)電不足的情況。

這種耐高溫光子晶體應用前景十分廣闊，可用于太陽能光熱轉換或太陽能光化學轉換裝置、放射性同位素的供電設備、氮氫化合物發(fā)電機或工業(yè)領域電廠余熱回收的配套設施等。但制造這種材料還存在許多障礙，如高溫會導致晶體蒸發(fā)、擴散、腐蝕、開裂、熔化或快速化學反應。為了應對這些挑戰(zhàn)，MIT的研究小組正在對高純度的鎢在結構上進行精密的幾何設計，以避免材料在被加熱時損壞。

該材料還可以取代電池，為便攜式電子設備有效供電，采用丁烷作燃料運行熱光生電機產生能量，作業(yè)時間比電池長10倍。裝置，其潛在應用領域為生物工程等，但也可能應用于微光學。

由水凝膠片材制成的盤狀凝膠可形成各種表面

三維微結構的光致彎曲

美國麻省阿默斯特大學RyanHayward和Christian Santangelo研究小組的研究人員證明，利用半色調凝膠光刻法和紫外線，通過光轉移可以將網點轉移到平直的聚合物凝膠片上。凝膠隨著溫度的變化而膨脹、收縮。被轉移的網點改變了溶脹量，導致內部產生應力，而內部應力又在材料向膠片平面外彎曲的過程中減弱(見《科學》第335期，2012年1月)。因此可以用這種技術來制造多種形變

聚合物凝膠能像海綿一樣吸水，然后根據溫度的變化而膨脹或收縮。但此類物質的溶脹能力取決于聚合物的交聯程度，而聚合物的交聯程度又取決于使聚合物曝露于其中的紫外線強度。

為了形成聚合物凝膠譜圖，該研究小組采用了兩個光罩以及類似于常見印刷方法的紫外線光刻法，這里稱其為半色調法。印刷人員們利用半色調法，通過不同尺寸的點打印形成了多個單色光影。點越小，顯示的白色背景越多，并在點和非打印區(qū)融合的距離處形成均勻的淺光影。如果點較大，則會形成暗光影區(qū)。

為實現這種技術的應用，研究人員采用紫外線強度較低的第一個光罩(在365 nm時為0.2 J/cm2)確定了潛在溶脹量較高的區(qū)域，使聚合物膠化，從而得到了一種可膨脹至相當于干性狀態(tài)時大約8倍尺寸的材料。

第二個光罩確定了聚合物廣泛交聯的光點圖，其將材料的潛在溶脹量限制在僅為干性狀態(tài)時約兩倍的尺寸。當膠片溶脹時，這兩個區(qū)域之間的溶脹量差在膠片內形成應力—為緩解應力，膠片開始彎曲。只要點比膜較厚的情況下大幾倍，膠片就會表現得像均質彈性材料一樣，從而得到平滑的曲線。這個研究小組的一部分工作就是研究膜厚、點徑和點距與所形成的曲面之間的相關性。研究人員寫道，“有了合適的半色調光致抗蝕圖，就能實現幾乎任何一種三維形狀”。

這種方法雖然簡單，但其形成三維立體形狀的潛能還沒有被完全開發(fā)出來?，F在該研究小組仍在研究溶脹及消溶脹動力學。

他們展示了實現的錐形、軸對稱形狀以及非軸對稱形狀。該小組已考慮將這種材料用于微光學。圣安杰洛說，“其中所涉及到的基本原理都是很普遍的，因此一旦一個人有了合適的材料和工藝，就可以利用這些基本原理來進行透鏡成型”。海沃德補充道，“這種方法可以用于可調微透鏡陣列”。目前，該研究小組正在忙于考慮更基本的問題，即如何實現膜成型。