科學家設計能量攜帶粒子稱為拓撲Plexcitons

加利福尼亞大學圣地亞哥分校，麻省理工學院和哈佛大學的科學家們設計了“拓撲plexcitons”，這種能量攜帶顆粒有助于設計新型太陽能電池和微型光學電路。

研究人員在Nature Communications上發(fā)表的一篇文章中報道了他們的進展。

在Lilliputian固態(tài)物理世界中，光和物質(zhì)以奇怪的方式相互作用，在它們之間來回交換能量。

“當光與物質(zhì)相互作用時，它們會交換能量，”加州大學圣地亞哥分?；瘜W與生物化學助理教授，該論文的第一作者Joel Yuen-Zhou解釋道。“能量可以在金屬中的光(所謂的等離子體激元)和分子中的光(所謂的激子)之間來回流動。當這種交換比它們各自的衰減速度快得多時，它們的個體身份就會丟失，將它們視為混合粒子更為準確; 激子和等離子體結合形成plexcitons。“

材料科學家一直在尋找方法來增強稱為激子能量轉(zhuǎn)移(EET)的過程，以創(chuàng)造更好的太陽能電池以及比硅同類產(chǎn)品小幾十倍的微型光子電路。

“理解EET增強的基本機制將改變我們對太陽能電池設計的思考方式，或改變納米級材料中能量傳輸?shù)姆绞剑?rdquo;Yuen-Zhou說。

然而，EET的缺點是這種形式的能量轉(zhuǎn)移是極短距離的，僅在10納米(1億分之一米)的范圍內(nèi)，并且當激子與不同分子相互作用時迅速消散。

避免這些缺點的一種解決方案是將分子晶體中的激子與金屬內(nèi)的集體激發(fā)雜化以產(chǎn)生plexcitons，其行進20,000納米，長度大約為人類頭發(fā)的寬度。

Plexcitons有望成為下一代納米光子電路，光捕獲太陽能結構和化學催化裝置的組成部分。但Yuen-Zhou表示，plexcitons的主要問題是它們沿著各個方向運動，這使得它很難在材料或裝置中正確利用。

他和麻省理工學院和哈佛大學的物理學家和工程師團隊通過基于固態(tài)物理學家能夠開發(fā)出稱為“拓撲絕緣體”的概念的工程粒子“拓撲叢”找到了解決該問題的方案。

“拓撲絕緣體是大體上完美的電絕緣體，但其邊緣表現(xiàn)為完美的一維金屬電纜，”Yuen-Zhou說。“拓撲絕緣體的令人興奮的特點是，即使材料不完美且有雜質(zhì)，也有很大的操作閾值，其中沿一個方向開始行進的電子不能反彈，使電子傳輸變得穩(wěn)健。換句話說，人們可能會想到電子對雜質(zhì)是盲目的。“

與電子相反，Plexcitons沒有電荷。然而，正如Yuen-Zhou和他的同事發(fā)現(xiàn)的那樣，他們?nèi)匀焕^承了這些強大的方向性。將這種“拓撲”特征添加到plexcitons會產(chǎn)生EET的方向性，這是研究人員之前沒有想到的特征。這最終使工程師能夠創(chuàng)建plexcitonic開關，以選擇性地將能量分配到新型太陽能電池或光捕獲設備的不同組件上。