渡:控制原子、分子间作用力有望发展量子光源

作者:化学

  导读:原子或分子间的偶极相互作用会产生一些物理现象,例如兰姆位移、超辐射衰变、范德瓦尔斯力和共振能量转移,但偶极相互作用会受限于库伦近场作用。最近,普渡大学电子和计算机工程系的科学家们找到了一种用于控制原子和分子间的力和相互作用的方法,能够用来发展量子光源新材料。

  普渡大学电子和计算机工程系助理教授祖宾·雅各布说,“相互靠得很近的原子和分子会发生相互作用,相互吸引或排斥,这些相互作用最终导致了一系列的现象,包括壁虎脚上的粘垫和光合成。”

  通常情况下,当原子和分子间的距离在1到10个纳米,或者人类头发丝宽度的万分之一时,这些相互作用才会起作用。

  他说,“这些作用包括范德瓦尔斯力,这种力只有在原子或分子靠得很近时才会起作用。这些相互作用的这种短程效应使得它们很难被控制。这使得我们很难利用它们来实现实际应用。”

  在一段时间内,原子被认为拥有“涨落变动的偶极子”,因为它们的正负电荷是分开的。原子和分子的这种偶极子相互之间会发生作用,而这种偶极相互作用是范德瓦尔斯相互作用的来源。

  科学家们已经证实这些偶极相互作用在二维材料,例如只有几个原子层厚度的六方氮化硼和黑磷中,会发生根本改变。他们还证实,即使当原子和分子在相隔较远时,例如微米量级或者比通常所需要的距离大100倍,它们之间也有可能有一定的偶极相互作用。这种更长距离内的作用让量子光源有了实际应用的潜在可能。

  文章作者哥特斯说,“我们主要的目标是试图理解是否有可能控制和操纵这种相互作用。我们所发现的是通过仔细调控材料的性质,我们有可能显著改变这些相互作用的强度和作用范围。我们发现这种被称为双曲型材料的物质实际上允许长程的相互作用,这有别于传统的材料。”

  偶极相互作用也会导致荧光原子和分子,这种原子和分子会以同步的方式发光。通常情况下,荧光分子自发和随机发光。然而,可以通过调控材料中的这种相互作用,使发光变得同步,从而增加光输出,这种现象被称为超辐射(super-radiance)。

  可以通过调控双曲二维材料在两个相隔较远的荧光量子发射器间产生这种超辐射。

  雅各布说,“当他们通过这些材料发生相互作用时,它们会相互纠缠,就像两个完美同步的钟摆。”

  这种材料据称由于长程偶极效应而具有“强关联”。这种“长程”相互作用可用于构建探究超辐射的新光源。

  虽然发表于《自然·通讯》上的文章聚焦于理论,科学家们也建议了一些实验方法来验证理论。他们正在普渡的发现公园比尔克纳米中心使用双曲二维材料进行相关实验。

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