納米LED在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中的潛在應(yīng)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)診斷中，但由于難以實現(xiàn)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(xué)Alberto Paleari研究組合作，開發(fā)出一種嵌入半導(dǎo)體納米粒子的玻璃基無機LED。在這種設(shè)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(diào)整納米顆粒外殼的厚度就可以控制整個材料的電響應(yīng)。這種設(shè)備結(jié)合了玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性與機械穩(wěn)定性，并具有導(dǎo)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(xué)設(shè)備。

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

用單光子實現(xiàn)兩單分子間通訊

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和德國馬克斯·普朗克研究所的科學(xué)家用單個光子激發(fā)單個分子，實現(xiàn)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(shù)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(jìn)行信息處理的進(jìn)一步研究鋪平了道路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。

過去20年，科學(xué)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(xiàn)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(shù)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(xué)難題的一般方式是在原子周圍構(gòu)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(dāng)頻率和帶寬的單光子來源。科研小組利用了一個事實:當(dāng)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(jié)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(dāng)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(biāo)”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(biāo)分子進(jìn)行有效互動。

科學(xué)家表示，這是兩個量子光學(xué)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(shù)百納米。這通常意味著大多數(shù)的入射光都會環(huán)繞分子進(jìn)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(xué)過渡產(chǎn)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(xué)家實現(xiàn)快速操控光的量子狀態(tài)

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，科學(xué)家一直希望用光子代替電子實現(xiàn)更快捷安全的光通訊，現(xiàn)在，科學(xué)家們成功證明，他們能更快速地(在幾納秒內(nèi))控制與目前光通訊網(wǎng)絡(luò)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(jìn)現(xiàn)有的光通訊網(wǎng)絡(luò)中，從而顯著改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能。最新研究朝實現(xiàn)光量子通訊邁近了一步。

英國布里斯托大學(xué)、赫瑞瓦特大學(xué)、荷蘭卡弗里納米科學(xué)研究所的科學(xué)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(xué)設(shè)備進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，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(xué)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(xiàn)有通訊調(diào)制器中進(jìn)行快速操縱的鈮酸鋰波導(dǎo)，并證明對電極附近的波導(dǎo)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(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)中采用的波長。

領(lǐng)導(dǎo)該項研究的布里斯托大學(xué)的達(dá)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(dǎo)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(jìn)行一次重新配置。現(xiàn)在的通訊網(wǎng)每天都在使用由同樣技術(shù)制成的開關(guān)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(guān)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(dǎo)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(xiàn)在，我們不僅能打開和關(guān)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(xué)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(chǔ)量子科學(xué)和量子技術(shù)來說至關(guān)重要。博諾表示，制造這些設(shè)備的鈮酸鋰材料也能隨機產(chǎn)生光子，另外，具有超導(dǎo)性的單光子探測器也能被整合在這樣的芯片上。一個結(jié)合了能隨機產(chǎn)生光子的光源、電路以及探測器的技術(shù)平臺可用于以下幾方面:通過對幾個光子來源進(jìn)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(xué)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(yù)熱。隨著晶體管的應(yīng)用，預(yù)熱時間就被節(jié)省下來了。如今，光量子調(diào)制設(shè)備領(lǐng)域也出現(xiàn)了類似的進(jìn)步——以前用加熱器，幾秒鐘才能重新配置電路，現(xiàn)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(dǎo)設(shè)備，在調(diào)制解調(diào)器時代是很平常的技術(shù)手段。但誰能想到，平平無奇的光電轉(zhuǎn)化設(shè)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(xiàn)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(yīng)用于智能手機、紅外化學(xué)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(guān)論文刊登在最新一期的美國《國家科學(xué)院院刊》上。

光子晶體指能對光作出反應(yīng)的特殊晶格，是可影響光子運動的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)，類似于半導(dǎo)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(dāng)，是不同折射率的電介質(zhì)材料在空間呈周期性排列構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)。

耐上千攝氏度高溫的光子晶體問世

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，美國麻省理工學(xué)院(MIT)的一個研究小組找到了

MIT軍用納米技術(shù)研究所工程師賽拉諾維奇表示，幾乎完全可以采用標(biāo)準(zhǔn)的微細(xì)加工技術(shù)和現(xiàn)有設(shè)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(chǎn)。

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(wù)通常利用少量的放射性物質(zhì)的能量，采用放射性同位素?zé)犭娫?RTG)。例如，計劃在今年夏天抵達(dá)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(xiàn)發(fā)電不足的情況。

這種耐高溫光子晶體應(yīng)用前景十分廣闊，可用于太陽能光熱轉(zhuǎn)換或太陽能光化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置、放射性同位素的供電設(shè)備、氮氫化合物發(fā)電機或工業(yè)領(lǐng)域電廠余熱回收的配套設(shè)施等。但制造這種材料還存在許多障礙，如高溫會導(dǎo)致晶體蒸發(fā)、擴散、腐蝕、開裂、熔化或快速化學(xué)反應(yīng)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，MIT的研究小組正在對高純度的鎢在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行精密的幾何設(shè)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(shè)備有效供電，采用丁烷作燃料運行熱光生電機產(chǎn)生能量，作業(yè)時間比電池長10倍。裝置，其潛在應(yīng)用領(lǐng)域為生物工程等，但也可能應(yīng)用于微光學(xué)。

由水凝膠片材制成的盤狀凝膠可形成各種表面

三維微結(jié)構(gòu)的光致彎曲

美國麻省阿默斯特大學(xué)RyanHayward和Christian Santangelo研究小組的研究人員證明，利用半色調(diào)凝膠光刻法和紫外線，通過光轉(zhuǎn)移可以將網(wǎng)點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移的網(wǎng)點改變了溶脹量，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，而內(nèi)部應(yīng)力又在材料向膠片平面外彎曲的過程中減弱(見《科學(xué)》第335期，2012年1月)。因此可以用這種技術(shù)來制造多種形變

聚合物凝膠能像海綿一樣吸水，然后根據(jù)溫度的變化而膨脹或收縮。但此類物質(zhì)的溶脹能力取決于聚合物的交聯(lián)程度，而聚合物的交聯(lián)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(diào)法。印刷人員們利用半色調(diào)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(xiàn)這種技術(shù)的應(yīng)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(dāng)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(lián)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(dāng)膠片溶脹時，這兩個區(qū)域之間的溶脹量差在膠片內(nèi)形成應(yīng)力—為緩解應(yīng)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(xiàn)得像均質(zhì)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(guān)性。研究人員寫道，“有了合適的半色調(diào)光致抗蝕圖，就能實現(xiàn)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。現(xiàn)在該研究小組仍在研究溶脹及消溶脹動力學(xué)。

他們展示了實現(xiàn)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(xué)。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(jìn)行透鏡成型”。海沃德補充道，“這種方法可以用于可調(diào)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(xiàn)膜成型。