鉅大LARGE | 點擊量:1198次 | 2019年01月05日
科學家們設計了一種稱為拓撲褶皺的能量攜帶粒子 用于動力電池組件
加州大學圣地亞哥分校,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,研究人員在最新一期“自然通訊”上發表的一篇文章報道了他們的進展,在Lilliputian固態物理世界中,光和物質以奇怪的方式相互作用,在它們之間來回交換能量。
“當光與物質相互作用時,它們會交換能量,”加州大學圣地亞哥分校化學與生物化學助理教授,該論文的第一作者JoelYuen-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變速率快得多時,它們的個體身份就會丟失,而且它更多準確地將它們視為混合粒子;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移(EET)的過程,以創造更好的太陽能電池以及比硅同類產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,或改變納米材料中能量傳輸的方式,”Yuen-Zhou說,然而,EET的缺點是這種形式的能量轉移是極短距離的,僅在10納米的范圍內,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的集體激發雜化以產生plexcitons,其行進20,000納米,長度大約為人類頭發的寬度。
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的主要問題在于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設計稱為“拓撲叢”的粒子找到了解決該問題的方法,該粒子基于固態物理學家能夠開發出稱為“拓撲絕緣體”的材料的概念。
“拓撲絕緣體是大體上完美的電絕緣體,但其邊緣表現為完美的一維金屬電纜,”Yuen-Zhou說。“拓撲絕緣體的一個令人興奮的特點是,即使材料不完美且有雜質,也會有很大的操作閾值,其中沿一個方向開始行進的電子不能反彈,使電子傳輸變得強大。換句話說,人們可能會認為關于電子對雜質的盲目性。
與電子相反,Plexcitons沒有電荷。然而,正如Yuen-Zhou和他的同事發現的那樣,他們仍然繼承了這些強大的方向性。將這種“拓撲”特征添加到plexcitons會產生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。