欧盟资助用于制造新型激光源或量子通信的新型二维材料研究
过去十年来,所谓的单层材料受到科学家们的高度重视,因为这些材料在物理学领域具有非常大的潜力。2016年初,德国维尔茨堡大学的研究团队受到欧洲研究委员会(ERC)1500万欧元的资助,用于研究过渡金属硫化物(TMDC),如今已取得一定进展。
在物理学中,“单层”指固体材料的最小厚度,通常是单个原子层厚度,晶体材料可以是三层或更多层原子,也称为二维材料。二维材料经常表现出意想不到的特性。如TMDC,具有类似于半导体的特性,可用于制造超小型、高能效芯片。
TMDC结构
TMDC具有相当简单的二维结构。钼或钨等过渡金属原子的单排结构,夹在同样薄的硫元素层之间。不同基础成分搭配制成的TMDC具有大范围的电子和光学特性。
图 在特定条件下,下层的单原子层发射不同频率的光子对,示意图中分别用红色和绿色来代表
潜在应用
德国维尔茨堡大学教授团队通过实验发现,当TMDC吸收能量时能够发光。试验表明,这种新型单层材料可用于制造新型高效节能激光源,也可用于量子效应的研究。
1应用一:量子通信研究
首先,通过一种简单的方法制备单层材料。第一步,用胶带从TMDC晶体上剥下多层薄膜。再从多层薄膜上剥下更薄的薄膜,如此反复,最终得到单层材料。
然后,将该单层材料冷却到略高于绝对零度的温度,并用激光激发,在这种特定条件下,该单层材料将发射单个光子。研究人员解释道,实际上激发出的是两个光子,光粒子是成对产生的。
这种光子对源非常有趣:光子对的两个光子状态相互交叠,纠缠在一起。一个光子的状态直接影响另一个光子,且不受距离限制,这种原理可以用于加密通信。
2应用二:用于新型激光源
维尔茨堡大学的科学家演示了这种单层材料的另一种应用。在两个镜子之间放置单层材料,然后用激光激发。当激光的辐射达到一定程度时,TMDC开始发射光子。这些光子碰到镜子后发色回TMDC板,刺激TMDC原子产生新的光子。
研究人员称:“我们将这一过程称为强耦合。光和物质作用生成激子极化光子。”这是首次在室温下,在单原子层材料探测到极化光子。
这种“克隆”光子与激光有相似的特性,但产生原理完全不同。理想情况下,在初始激发之后,就可通过自给自足方式产生新的光粒子,而不再需要任何额外的能量供应。
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