Исследователи обсуждают захват отдельных атомов и их использование в новых квантовых технологиях.
Органические светодиоды (OLED) преобразили технологии отображения и освещения благодаря ярким цветам, глубокому контрасту и энергоэффективности. С ростом спроса на более лёгкие, тонкие и энергосберегающие устройства, особенно в носимых гаджетах, складных устройствах и портативной электронике, интерес к OLED, способным работать при пониженных напряжениях без ущерба для производительности, возрастает.
Новый тип OLED
Появился новый тип OLED, известный как OLED с эксиплексной конверсией (ExUC-OLED). Эти устройства используют другой механизм для генерации экситонов, что позволяет излучать свет при гораздо более низких напряжениях.
Конвенциональные OLED излучают свет, когда экситоны (связанные пары электронов и дырок) переходят в состояние с более низкой энергией. Формирование экситонов требует напряжения, равного или превышающего ширину запрещённой зоны материала излучателя — обычно около 3 В для красного и 4 В для синего света.
В отличие от них, ExUC-OLED генерируют свет через промежуточное состояние с более низкой энергией, называемое эксиплексом, — слабо связанную пару электрон-дырка, образующуюся на границе между донорскими и акцепторными молекулами. Эксиплекс передаёт свою энергию в триплетное состояние излучателя, что позволяет происходить триплет-триплетной конверсии (TTU).
В TTU два триплета объединяются, образуя высокоэнергетическое синглетное состояние, которое излучает видимый свет. Этот механизм позволяет ExUC-OLED производить синий свет при напряжении всего 1,47 В. Однако их развитие ограничивалось необходимостью тщательного подбора донорских и акцепторных материалов для обеспечения эффективной передачи энергии, что сужало выбор материалов и затрудняло проектирование устройств.
Прорыв в OLED-технологиях
Чтобы раскрыть весь потенциал ExUC-OLED, исследователи из Университета Тояма в Японии предложили простую, но эффективную конструкцию, которая может приблизить ExUC-OLED к коммерциализации. Вставив наноразмерный (нм) «разделительный» слой между донорскими и акцепторными материалами, команда позволила ранее несовместимым комбинациям материалов функционировать вместе, что привело к увеличению выхода синего света в 77 раз.
Исследование под руководством доцента Масахиро Моримото и при участии Рёсукэ Фукадзавы и профессора Сигэки Нака было опубликовано онлайн в журнале ACS Applied Optical Materials 4 июня 2025 года.
«Индустрия OLED уже значительна, но OLED с ультранизким напряжением — это переломный момент, потому что материалы и концепции дизайна отличаются от прежних. Использование подходящих разделительных материалов открывает более широкий выбор используемых материалов в ExUC-OLED», — объясняет доктор Моримото.
Учёные из Университета Тояма предложили простое, но эффективное решение
Разделительный слой увеличивает физическое расстояние между донорскими и акцепторными молекулами, ослабляя кулоновское притяжение, которое стабилизирует эксиплекс. Это, в свою очередь, повышает энергию эксиплекса (E_Ex), улучшая её перекрытие с триплетной энергией излучателя. В результате передача энергии становится более эффективной, что приводит к световому излучению даже при комбинациях материалов, которые ранее не работали.
В своих экспериментах команда использовала донорный материал, излучающий синий свет, α, β-ADN, и протестировала два разных акцептора: HFl-NDI и PTCDI-C8, как с разделителем батокупроином (BCP), так и без него. Без разделителя устройство PTCDI-C8 работало плохо, достигая эффективности синего светового излучения всего 0,00083% из-за слабого перекрытия между уровнем энергии эксиплекса и триплетным возбуждённым состоянием молекулы излучателя. Однако с разделителем толщиной 3 нм эффективность устройства увеличилась до 0,064%, что означает улучшение в 77 раз.
Более того, варьируя толщину разделителя от 0 нм до 9 нм, исследователи обнаружили, что увеличение расстояния ослабляло кулоновское взаимодействие на границе раздела донор-акцептор, повышая E_Ex с 0,06 эВ до 0,09 эВ. Однако 3-нм разделитель обеспечивал наилучший компромисс, повышая энергию эксиплекса достаточно для эффективного формирования эксиплекса.
Команда также протестировала разделители, изготовленные из материалов с разными постоянными дипольными моментами. Хотя электрические свойства и энергии эксиплекса в значительной степени не зависели от материала разделителя, эффективность синего света варьировалась значительно. Разделители с высоким дипольным моментом, такие как BCP, приводили к более высокой внешней квантовой эффективности 6,4 × 10^–2% по сравнению с 7,8 × 10^–3% для неполярных разделителей, таких как UGH-2.
С помощью этого простого масштабируемого дизайна для улучшения ExUC-OLED, это исследование знаменует собой значительный поворотный момент в OLED-технологии. Оно расширяет выбор используемых материалов и приближает нас к достижению ультранизкого напряжения, энергоэффективных OLED, подходящих для дисплеев, носимых устройств и систем освещения.
«ExUC-OLED могут работать при ультранизком напряжении; расширение свободы выбора материалов может привести к более широкому спектру применения устройств, прокладывая путь для будущих энергосберегающих светоизлучающих устройств, помимо просто OLED», — заключает доктор Моримото с оптимизмом.
Захват отдельных атомов для квантовых технологий
В лаборатории профессора Себастьяна Вилла можно увидеть серию односекундных вспышек, освещающих экран. Каждая вспышка — это атом стронция, естественно встречающийся щелочноземельный металл, который на короткое время захватывается и удерживается на месте «пинцетами» из лазерного света.
«Мы можем видеть отдельные атомы», — говорит аспирант Аарон Холман. «Это никогда не устаревает».
Лаборатория увидела свой первый атом в конце 2022 года, после двух лет создания экспериментальной установки — сложной и тщательно откалиброванной серии атомных источников, вакуумных камер, магнитов, электроники и лазеров, которые захватывают отдельные атомы и помещают их в специальные расположения.
Холман, в настоящее время аспирант пятого курса по физике, помогал создавать проект «TweeSr» с нуля. Будучи по натуре чистым физиком атомных, молекулярных и оптических систем (AMO), он сейчас работает над тем, чтобы превратить фундаментальные исследования взаимодействия атомов, молекул и света в новые технологии с коллегами из Columbia Engineering. Он также стремится к более крупным масштабам в рамках квантовой сети, которая в настоящее время находится в стадии строительства.
Сеть, получившая название SCY-QNet и возглавляемая исследователями из Университета Стони Брук, в конечном итоге протянется от Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде и через Манхэттен через Колумбию до Йеля в Нью-Хейвене, штат Коннектикут.
В этом интервью Холман объясняет проект «TweeSr» и то, как междисциплинарное сотрудничество делает его лучшим учёным.
«Во время моей учёбы в Чикагском университете я получил двойное образование в области молекулярного инжиниринга и физики, которое было очень близко к AMO: я изучал такие вещи, как квантовые сети и материалы, «легированные» редкоземельными ионами для использования в телекоммуникационных технологиях. Но для аспирантуры я решил переключиться на чистую атомную работу. Физика AMO чиста в том смысле, что мы создаём всё с нуля».
«Пинцеты» для атомов
Название «TweeSr» — это игра слов, объединяющая «пинцеты» с элементом, с которым мы работаем, — стронцием. Мы используем очень мощный лазер, который может очень-очень плотно захватывать атомы. Это зелёный лазер, который может захватывать атомы в пределах всего 520 нанометров. Вместе с моим коллегой-аспирантом Ксимо Саном и постдоком в лаборатории Боджонг Со мы разработали ловушки так, чтобы в каждый пинцет можно было поместить по одному атому.
Мы также сотрудничаем с лабораторией профессора Нэнфанг Ю. Мы используем их голографические метаповерхности, которые представляют собой плоские оптические устройства, которые манипулируют светом с чрезвычайно высокой точностью, для создания множества пинцетов из одного лазерного луча. С помощью метаповерхностей мы можем расположить пинцеты в любой форме или узоре, который мы хотим. Мы также можем размещать отдельные атомы очень близко друг к другу, что сложно в обычных экспериментах с пинцетами.
Поскольку метаповерхности позволяют нам точно настраивать атомную систему, мы можем изучать физику, которую раньше никто не изучал.
Размещая отдельные атомы близко друг к другу, мы изменяем то, как свет взаимодействует с ними. Это коллективное поведение ещё недостаточно изучено в таких системах, как наша. Если мы расположим атомы в определённой конфигурации, мы сможем изучить то, что известно как супрарадантность, — атомы, излучающие фотоны очень быстро, или субрадиантность, — атомы, излучающие фотоны очень медленно. Если мы подумаем о приложениях этих явлений, первое может увеличить пропускную способность нашей системы, а второе может создать новую форму квантовой памяти. Оба являются захватывающими перспективами для квантовой сети!
«Да, чтобы создать сеть, нужно где-то начать и закончить. Сеть будет соединять квантовые процессоры, расположенные во всех участвующих учреждениях, через квантовую запутанность. Колумбия — это аппаратный узел: наши атомы будут отправлять или получать фотоны внутри сети, одновременно обеспечивая вычислительную мощность для манипулирования этой же квантовой информацией. Особенно сложной задачей является то, что мы должны делать это на уровне одиночных фотонов: здесь очень мало места для ошибок, чтобы эффективно соединить нашу систему с сетью».
Это заставляет нас думать за пределами нашей собственной экспериментальной установки. Если мы хотим связать наши TweeSrs с волокном, которое протянется до Лонг-Айленда, как именно мы это сделаем? Это также забавное изменение масштаба и перспективы. Наш эксперимент занимает целую комнату, но теперь мы говорим о прокладке миль и миль волокон и центров обработки данных, соединяющих разные учреждения.
С классическими битами информация двоична: это либо 1, либо 0. Мы стали чрезвычайно хороши в хранении, перемещении и манипулировании этой информацией классическими методами. Однако с квантовыми битами (кубитами), которые имеют дополнительные свойства, такие как суперпозиция, когерентность и запутанность, те же технологии, разработанные для классических битов, просто не работают. Это открытый вопрос, как именно мы должны построить квантовую сеть, на который мы пытаемся ответить через новое сотрудничество.
Разные квантовые системы могут быть хороши в разных задачах, связанных с хранением, перемещением и манипулированием квантовой информацией, что является одним из аргументов в пользу полезности квантовой сети. Однако мы должны решить задачу взаимодействия разных квантовых систем друг с другом — задача не из лёгких! Это один из вопросов, над которым работает лаборатория профессора Алекса Гаэты здесь, в Колумбии. Они изучают преобразование частоты и способы согласования двух разных квантовых источников информации.
«Я работаю над созданием надлежащей платформы AMO, но я многому научился на междисциплинарных проектах. Это сформировало меня как исследователя и учёного, и это не то, что я изначально искал, поступая в аспирантуру. Например, то, как я, физик AMO, думаю о свете, сильно отличается от того, как думает об этом оптический инженер. Удивительно, как много можно улучшить в дизайне благодаря сотрудничеству. Они заставляют вас действительно осмотреться и увидеть, что делают другие группы, и как это может повлиять на ваши собственные исследования».
blue light. In contrast, ExUC-OLEDs generate light via a lower-energy intermediate state called an exciplex, a loosely bound electron-hole pair formed at the interface between donor and acceptor molecules. The exciplex transfers its energy to the emitter’s triplet state, enabling triplet–triplet upconversion (TTU) to occur.”,”In TTU, two triplets combine to produce a high-energy singlet state, which emits visible light. This mechanism allows ExUC-OLEDs to produce blue light at voltages as low as 1.47 V. However, their development has been limited by the need for carefully matched donor and acceptor materials to enable efficient energy transfer, which narrows material choices and hinders device design.”,”To unlock the full potential of ExUC-OLEDs, researchers from the University of Toyama, Japan, have now proposed a simple yet effective design that can bring ExUC-OLEDs closer to commercialization. By inserting a nanometer (nm)-thin \”spacer\” layer between the donor and acceptor materials, the team enabled previously incompatible material combinations to function together, resulting in a 77-fold increase in blue light output.”,”The study, led by Associate Professor Masahiro Morimoto and co-authored by Mr. Ryosuke Fukazawa and Professor Shigeki Naka, was published online in the journal ACS Applied Optical Materials on June 4, 2025.”,”\”The OLED industry is already substantial, but ultra-low-voltage drive OLEDs are a game changer because the materials and design concepts are different from those of the past. Using appropriate spacer materials opens up a wider selection of usable materials in ExUC-OLEDs,\” explains Dr. Morimoto.”,”The spacer increases the physical separation between donor and acceptor molecules, weakening the Coulombic attraction that stabilizes the exciplex. This, in turn, raises the exciplex energy (EEx), improving its overlap with the triplet energy of the emitter. As a result, energy transfer becomes more efficient, resulting in light emission, even with material combinations that did not previously work.”,”In their experiments, the team used a blue-emitting donor material, α, β-ADN, and tested two different acceptors: HFl-NDI and PTCDI-C8, both with and without a bathocuproine (BCP) spacer. Without the spacer, the PTCDI-C8 device performed poorly, achieving a blue light emission efficiency of just 0.00083% due to the weak overlap between the exciplex energy level and the triplet excited state of the emitter molecule. However, with a 3-nm-thick spacer, the efficiency of the device increased to 0.064%, marking a 77-fold improvement.”,”Moreover, by varying spacer thickness from 0 nm to 9 nm, the researchers found that increasing the distance weakened the Coulombic interaction at the donor-acceptor interface, raising the EEx from 0.06 eV to 0.09 eV. However, a 3-nm spacer provided the best tradeoff, raising the exciplex energy sufficiently while still allowing efficient exciplex formation.”,”The team also tested spacers made from materials with different permanent dipole moments. Though the electrical properties and exciplex energies were largely unaffected by the spacer material, blue light efficiency varied significantly. High-dipole spacers, such as BCP, resulted in a higher external quantum efficiency of 6.4 x 10-2%, compared to just 7.8 x 10-3% for nonpolar spacers like UGH-2.”,”With this straightforward, scalable design for enhancing ExUC-OLEDs, this study marks a significant turning point in OLED technology. It expands the selection of usable materials and brings us closer to achieving ultra-low-voltage, energy-efficient OLEDs suitable for displays, wearables, and lighting systems.”,”\”ExUC-OLEDs can be driven at ultra-low voltages; expanding the freedom of material selection could lead to a wider range of device applications, paving the way for future, energy-saving light-emitting devices beyond just OLEDs,\” concludes Dr. Morimoto, optimistically.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Toyama\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник