美研制出超快发光二极管 打破分子荧光速度纪录

美国杜克大学研究人员最新研制出超快发光二极管(LED)，打破了荧光分子发射光子的速度纪录，是普通级的1000倍，朝着实现超快速LED和量子密码学迈出了重要一步。该研究结果刊登在10月12日的《自然·光子学》在线版上。

今年的诺贝尔物理学奖被授予在20世纪90年代初发明的蓝色发光二极管的科学家，因该发明促进了新一代明亮节能的白色荧光灯以及彩色LED屏幕的发展。然而，这个巨大研究成果在开关时的慢速度却限制了其作为以光源为基础的通信。在一个LED里，一眨眼的功夫原子被迫发射约1000万个光子。而现代通信系统，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，研究人员必须提速光子发光材料。

在新研究中，这所大学的工程师通过在金属纳米立方体和黄金膜之间添加荧光分子，加速其光子发射率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麦肯·米克尔森说：“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，但对基础物理却至关重要。”

米克尔森是研究金属内电磁场和自由电子之间相互作用的专家。据物理学家组织网10月13日报道，在实验中，他的团队制造了75个银纳米立方体，并困住其内的光，大大增加了光的强度。当荧光分子被放置在密集的光旁，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。

要达到最大效应，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、这所大学电气和计算机工程的教授大卫·史密斯、詹姆斯·B主任的帮助下，采用计算机模拟精确确定了纳米立方和黄金薄膜之间所需间隙大小：竟然只有20个原子宽。研究人员说：“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，从而创纪录地提升荧光速度达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。他们计划将个别荧光分子精确置于单个纳米立方体，从而实现荧光分子发射光子的更高速率。

研究人员说：“如果我们能准确设置分子，其将不只是快速的LED，还可以有许多应用。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。”