近日，来自密歇根大学的研究人员开发了一种新型的高效光电探测器，其设计灵感来自于植物的光合作用可将太阳光转化为能量。这种新型光电探测器可将光子转化为电信号，可被用于相机、光通信系统等其他多种应用。
密歇根大学研究小组的负责人表示，他们的设备可将光能的长距离传输与长距离转换为电流结合起来，这种设计类似于在植物中的光合作用，有可能极大地提高太阳能电池的发电效率，太阳能电池使用这种新型光电探测器可将太阳光转化为能量。
在许多植物中发现的光合作用复合体包括一个大的光吸收区域，该区域将分子激发态能量传递给一个反应中心，在那里能量被转化为电荷。虽然这种设计非常有效，但模仿它需要在有机材料中实现长距离的能量传输，这已被证明是难以完成的。
为了实现这一看似不可能完成的任务，研究人员使用了被称为极子的独特准粒子。在《Optica》上研究人员们报告了他们的新探测器，该探测器在一个有机薄膜中产生了极子。研究人员说："一个极子将一个分子激发态与一个光子结合起来，使它同时具有类似于光和物质的特性，允许长距离的能量传输和转换。这种新型的光电探测器是基于极子的实用光电设备的首次展示。”
几年前，研究人员在寻找制造更好的太阳能电池的方法时设想了这种新的检测器。研究人员表示，在观察了简单结构中的极子长距离传播后，他们认为有可能利用极子制作一个光合作用的类似装置。然而，要弄清楚如何建造这样一个装置是相当困难的。
为了制造一个基于极子的光电探测器，研究人员必须设计允许极子在有机半导体薄膜中长距离传播的结构。另外，他们还必须弄清楚如何将一个简单的有机检测器整合到传播区域，以产生高效的极子到电荷的转换。他们借用了他们以前设计的结构来创造高效的有机光伏电池，这些结构可以有效地收集由极子携带的能量。
研究人员通过使用一个特殊的傅里叶平面显微镜来观察极子的传播，分析了他们的新装置。由于探测器的不寻常结构，他们不得不开发一种方法来准确地量化结果，并将其放在传统探测器的背景下。 结果显示，新的光电探测器在将光转换为电流方面比类似的硅光电二极管更有效。它还可以从大约0.01mm2的区域收集光线，并在0.1mm的超长距离内实现光到电流的转换，这个距离比光合作用复合物的能量传递距离大了三个数量级。
到目前为止，大多数极子都是在顶部和底部都有高反射镜的封闭腔体中作为静止的准粒子被观察到的。这项新工作揭示了关于极子如何在具有单一镜子的开放结构中传播的重要发现。新装置还首次实现了测量入射光子如何有效地转化为极化子。
研究人员认为，他们的工作表明极子除了是一种有趣的科学之外，也是一个有待发现的极有应用价值的“金矿”。他们的设备提供了一种不寻常的的方法来了解极子的基本属性，并实现了对光和电荷的操纵。
图：研究人员开发了一种新型的高效光电探测器，它与植物用来将阳光转化为能量的光合复合物相似。新的设计将一个简单的有机检测器整合到传播区域，在高达100微米的距离上产生了高效的极子-电荷转换。
