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纳米LED在生物医学设备中的潜在应用

基于液相无机纳米晶体的发光二极管(LED)因为廉价且化学性质稳定而有望应用于生物医学诊断中，但由于难以实现紫外线发射，其研究一直未取得大的突破。

日前，美国洛斯阿莫斯国家实验室Sergio Brovelli研究组与意大利米兰比可卡大学Alberto Paleari研究组合作，开发出一种嵌入半导体纳米粒子的玻璃基无机LED。在这种设备中，二氧化锡纳米颗粒被包裹在一氧化锡里，并嵌入玻璃材料，玻璃基材料能在紫外光谱中发光，并集成到芯片上。通过调整纳米颗粒外壳的厚度就可以控制整个材料的电响应。这种设备结合了玻璃的化学稳定性与机械稳定性，并具有导电性与电致发光性能，因此可以在恶劣的环境下使用(如浸泡在生理溶液中或直接植入人体)，并有望用于制造生物医学设备。

相关研究工作发表在Nature Communications上(文章标题:Fully inorganic oxide-in-oxide ultraviolet nanocrystal light emitting devices)。

用单光子实现两单分子间通讯

据美国物理学家组织网报道，瑞士苏黎世联邦理工学院和德国马克斯·普朗克研究所的科学家用单个光子激发单个分子，实现了两个单分子间的信号传送。在实验中，可让单个分子模拟光频，将单光子流传递给相距数米的另一个分子，如同两个站点之间的无线电通讯。这为开展以单光子作为量子信息载体，由单个发射器进行信息处理的进一步研究铺平了道路。相关研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

过去20年，科学家已证明能探测到单个分子，也能生成单光子。然而，单个分子发现并吸收单光子的几率很低，由光子激发分子仍难以捉摸，因而通常需要每秒释放数十亿光子来轰击分子，才能从中获得一个信号。规避这一物理学难题的一般方式是在原子周围构建一个腔洞，使光子能够长久囚禁其中，从而保持两者良好的互动几率。

此次实验的挑战之一，是获取具有适当频率和带宽的单光子来源。科研小组利用了一个事实:当一个原子或分子吸收单光子时，它将过渡到激发态。在几纳秒后，激发态将衰变为最初的基态，并放射出单个光子。

在实验中，研究人员将两个嵌入有机晶体之中的荧光分子样本冷却至－272℃。每个样本中的单个分子都能由光谱选择结合空间。为了生成单光子，单个分子将从“源头”样本中激发而出。当分子的激发态衰变时，放射出的光子将紧紧聚集于距离几米之外的另一个“目标”样本之上。为了保证样本中的单个分子能够“看到”入射的光子，研究小组必须保证它们处于同一频率。此外，珍贵的单光子也需要与单个目标分子进行有效互动。

科学家表示，这是两个量子光学天线之间长距离通讯的首个例子。单个分子一般大小为1 nm，而聚集的光束却不能小于数百纳米。这通常意味着大多数的入射光都会环绕分子进行运动，而无需“看见”对方。然而，如果入射光子与分子的量子力学过渡产生共鸣，在这个过程中，分子可像天线一般发挥作用，抓住其附近的光波。

科学家实现快速操控光的量子状态

据美国物理学家组织网报道，科学家一直希望用光子代替电子实现更快捷安全的光通讯，现在，科学家们成功证明，他们能更快速地(在几纳秒内)控制与目前光通讯网络中所用光波波长一样的光子路径和偏振，新光子电路可整合进现有的光通讯网络中，从而显著改进网络的性能。最新研究朝实现光量子通讯迈近了一步。

英国布里斯托大学、赫瑞瓦特大学、荷兰卡弗里纳米科学研究所的科学家们将这项快速控制单光子路径和偏振的研究发表在最新一期《物理评论快报》杂志上。

他们在对一个由电路组成的量子光学设备进行研究时发现，单个光子会移动穿过这些电路，这些电路也能被重新配置从而改变光子路径和偏振方向。然而，这种量子光学电路无法快速操纵单光子和多光子的状态。为了解决这一问题，他们使用了可在现有通讯调制器中进行快速操纵的铌酸锂波导，并证明对电极附近的波导施加电压能快速操控由波长为1550 nm的一个或两个光子组成的光的量子(包括路径和偏振)状态，该波长正是现有通讯网络中采用的波长。

领导该项研究的布里斯托大学的达米恩·博诺表示:“在这个实验中，我们演示了两种电路配置，每种电路配置都会导致不同的量子状态，一次配置仅需几纳秒，而在以前的实验中，每几秒才能对电路进行一次重新配置。现在的通讯网每天都在使用由同样技术制成的开关来传递由光脉冲编码的信息字节，从原理上来讲，这样的开关也能用于单光子层面。”

博诺表示:“迄今为止，在芯片上操纵光的量子状态一直依靠加热器，其能作为慢速移相器来使用。最新研究表明，铌酸锂波导能采用一种与以前迥然不同的方法来更快速地操控光的量子状态。现在，我们不仅能打开和关闭光包以便按规定路线发送传统信息，也能够快速处理和操纵光的量子状态。”

科学家们指出，能在单个平台上快速控制单光子的偏振和路径对基础量子科学和量子技术来说至关重要。博诺表示，制造这些设备的铌酸锂材料也能随机产生光子，另外，具有超导性的单光子探测器也能被整合在这样的芯片上。一个结合了能随机产生光子的光源、电路以及探测器的技术平台可用于以下几方面:通过对几个光子来源进行多路传输从而获得可靠的单光子源、长距离量子通讯需要使用的量子继电器、量子密码学中用到的量子密钥分配等。

以前有些老式收音机使用电子管，每次工作前都要预热。随着晶体管的应用，预热时间就被节省下来了。如今，光量子调制设备领域也出现了类似的进步——以前用加热器，几秒钟才能重新配置电路，现在几纳秒就可以切换到另一个电路。使用铌酸锂材料作波导设备，在调制解调器时代是很平常的技术手段。但谁能想到，平平无奇的光电转化设备稍加变化，可以帮助最前沿的光量子通讯研究取得突破?现在随着光源、电路和探测器整合到一起，量子通讯研究者的工作量可以减轻不少了。一种采用金属钨或钽制造可耐受1200℃高温的光子晶体途径。这种材料可广泛应用于智能手机、红外化学探测器和传感器、深度探索太空的宇宙飞船等供电装置。相关论文刊登在最新一期的美国《国家科学院院刊》上。

光子晶体指能对光作出反应的特殊晶格，是可影响光子运动的规则光学结构，类似于半导体晶体对于电子行为的影响。其晶格尺寸与光波的波长相当，是不同折射率的电介质材料在空间呈周期性排列构成的晶体结构。

耐上千摄氏度高温的光子晶体问世

据美国物理学家组织网近日报道，美国麻省理工学院(MIT)的一个研究小组找到了

MIT军用纳米技术研究所工程师赛拉诺维奇表示，几乎完全可以采用标准的微细加工技术和现有设备将这种新型耐高温二维光子晶体制造成计算机芯片。与早期制造的高温光子晶体的方法相比，采用新方法制造出的材料具有“性能好、操作简单、坚固耐用”等特点，适合低成本的大规模生产。

因为这种材料具有为深度探索太空提供永续动力的潜力，美国国家航空航天局也对其很感兴趣。完成这样的任务通常利用少量的放射性物质的能量，采用放射性同位素热电源(RTG)。例如，计划在今年夏天抵达火星的“好奇”号探测器使用的就是RTG系统，它可以连续不间断作业多年，而不像太阳能供电站，到了冬天就会出现发电不足的情况。

这种耐高温光子晶体应用前景十分广阔，可用于太阳能光热转换或太阳能光化学转换装置、放射性同位素的供电设备、氮氢化合物发电机或工业领域电厂余热回收的配套设施等。但制造这种材料还存在许多障碍，如高温会导致晶体蒸发、扩散、腐蚀、开裂、熔化或快速化学反应。为了应对这些挑战，MIT的研究小组正在对高纯度的钨在结构上进行精密的几何设计，以避免材料在被加热时损坏。

该材料还可以取代电池，为便携式电子设备有效供电，采用丁烷作燃料运行热光生电机产生能量，作业时间比电池长10倍。装置，其潜在应用领域为生物工程等，但也可能应用于微光学。

由水凝胶片材制成的盘状凝胶可形成各种表面

三维微结构的光致弯曲

美国麻省阿默斯特大学RyanHayward和Christian Santangelo研究小组的研究人员证明，利用半色调凝胶光刻法和紫外线，通过光转移可以将网点转移到平直的聚合物凝胶片上。凝胶随着温度的变化而膨胀、收缩。被转移的网点改变了溶胀量，导致内部产生应力，而内部应力又在材料向胶片平面外弯曲的过程中减弱(见《科学》第335期，2012年1月)。因此可以用这种技术来制造多种形变

聚合物凝胶能像海绵一样吸水，然后根据温度的变化而膨胀或收缩。但此类物质的溶胀能力取决于聚合物的交联程度，而聚合物的交联程度又取决于使聚合物曝露于其中的紫外线强度。

为了形成聚合物凝胶谱图，该研究小组采用了两个光罩以及类似于常见印刷方法的紫外线光刻法，这里称其为半色调法。印刷人员们利用半色调法，通过不同尺寸的点打印形成了多个单色光影。点越小，显示的白色背景越多，并在点和非打印区融合的距离处形成均匀的浅光影。如果点较大，则会形成暗光影区。

为实现这种技术的应用，研究人员采用紫外线强度较低的第一个光罩(在365 nm时为0.2 J/cm2)确定了潜在溶胀量较高的区域，使聚合物胶化，从而得到了一种可膨胀至相当于干性状态时大约8倍尺寸的材料。

第二个光罩确定了聚合物广泛交联的光点图，其将材料的潜在溶胀量限制在仅为干性状态时约两倍的尺寸。当胶片溶胀时，这两个区域之间的溶胀量差在胶片内形成应力—为缓解应力，胶片开始弯曲。只要点比膜较厚的情况下大几倍，胶片就会表现得像均质弹性材料一样，从而得到平滑的曲线。这个研究小组的一部分工作就是研究膜厚、点径和点距与所形成的曲面之间的相关性。研究人员写道，“有了合适的半色调光致抗蚀图，就能实现几乎任何一种三维形状”。

这种方法虽然简单，但其形成三维立体形状的潜能还没有被完全开发出来。现在该研究小组仍在研究溶胀及消溶胀动力学。

他们展示了实现的锥形、轴对称形状以及非轴对称形状。该小组已考虑将这种材料用于微光学。圣安杰洛说，“其中所涉及到的基本原理都是很普遍的，因此一旦一个人有了合适的材料和工艺，就可以利用这些基本原理来进行透镜成型”。海沃德补充道，“这种方法可以用于可调微透镜阵列”。目前，该研究小组正在忙于考虑更基本的问题，即如何实现膜成型。