新型材料有助於實現光信號編碼

俄羅斯物理學家與歐洲科學家合作實現了可控的激子產生方法，並可用於在室溫下記錄信息。激子是光子與電子之間的過渡形式，因此研究者認為可將其用於製造可快速記錄和處理光信號的壓縮光電設備。該方法基於一類名為金屬有機骨架的特殊材料，已被發表在先進材料雜誌。

不同波長的光對金屬有機骨架的作用方式：紅色和藍色為不同類型的激子，右側為晶體圖片

為了簡化量子力學中複雜效應的描述，科學家們提出了准粒子的概念。激子即為一種准粒子，是電子空穴對，提供光子與電子之間的能量轉移。根據科學界的描述，這種准粒子將有助於光學與電子工業的結合，創造一類全新的更精簡更節能的設備。然而，所有激子演示設備不是只能在低溫下運行就是太難以製造，無法大規模使用。

新研究中，科學家們通過改變光參數，實現了室溫下的激子產生。論文作者還設法控制數百飛秒的超高靈敏度的准粒子，最終基於金屬有機骨架材料提出了一種利用激子記錄數據的簡單方法。

聖彼得堡信息技術、機械與光學大學(ITMO大學)合成的金屬有機骨架具有分層結構，層間存在名為范德瓦爾斯力的吸力。為了防止不受控制地結合，在層間注入有機液體。基於該晶體，研究者實現了兩種不同類型的激子的獨立激發：層內的和層間的。當光子被晶體吸收轉變為層內的電子空穴對時出現第一種激子，當電子和空穴各自屬於相鄰層時產生第二種激子。隨時間推移，兩種准粒子均會分解，再次以光子的形式輻射能量，但在兩者尚存時可在晶體內部自由移動。

層內激子的存在時間相對較短，但由於其具有高密度和高度的靈活性，可被用於LED燈發光和激光等。層間激子更穩定，但是移動較慢，因此可被用於記錄數據。物理學家認為，兩種類型激子均適用於光信號處理。

新型信息記錄方法重點是通過改變層間距離控制層間激子的激髮狀態。論文第一作者Valentin Milichko說：「我們利用激光對晶體進行局部加熱。在曝光部位，層結構結合到一起，激子停止發光，而晶體的其它位置仍然在發光。這意味著我們可能記錄了1比特的信息，並且這種以黑點形式存在的記錄持續了好幾天。將金屬有機骨架放入相同的支撐層結構的有機液體中即可刪除數據，這樣晶體本身不會受到影響，但是記錄信息消失了。」

論文作者Valentin Milichko相信未來這種新材料將被用於以通常的0和1形式處理光信號：「事實上，我們可以影響激子在晶體中的行為，從而改變光信號的密度。在弱光下，激子將會累積(1狀態)，但如果加大激光功率，准粒子的濃度將急速增加並立即分解(0狀態)。」

一般來說，激子出現在電介質和半導體晶體中，這是科學家們首次在一種完全不同類別的材料中製造並控制激子。這種金屬有機骨架晶體結合了有機和無機成分，具有單一成分材料不具備的額外屬性。其中，有機成分使得研究者能在室溫下產生激子，而無機部分提供了晶體內的有效轉移方式。

[CliffBao via phys]

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