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

2016-11-08 09:39

　　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。

　　与之相反，在激光器中的激光材料需要外部持续激发。

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