由有机材料组成的数字显示器带来了消费电子的新时代，有助于大规模生产更明亮的屏幕，与普通晶体材料制成的屏幕相比具有许多优势。例如，这些有机发光二极管，或称OLED，可以制造出可折叠的手机，打开后屏幕尺寸增加一倍。

相对于电荷载流方向的发射方向依赖的CP发射。资料来源：《自然-光子学》（2022）。DOI: 10.1038/s41566-022-01113-9

然而，即使是目前生产的最先进的OLED显示器也浪费了它们所发出的大约一半的光--这一不足似乎是不可避免的，因为它源于光的物理学。由魏兹曼科学研究院研究员、凝聚态物理系的Binghai Yan教授领导的一项新研究，可能会导致未来设备点亮OLED屏幕的方式发生变化。

在这项合作研究中，Yan及其同事发现了一种控制光的关键属性的新方法。这项技术涉及新的材料和设备设计，为制造比目前市场上的屏幕亮度高一倍或能效高一倍的屏幕铺平了道路。它还可能导致比现在的数据传输能力快得多，这些应用展示了下一代有机半导体的巨大潜力。

为了理解为什么最先进的显示器有一个亮度截止点，我们必须首先考虑被称为手性或手性的光的特性，这个术语来自希腊语的 "手"。它的含义取决于上下文。在物理学中，手性指的是粒子的自我旋转与它们的运动有关。当光子或电子流动时，它们在空间中移动，但它们也旋转。当这些粒子沿着它们运动的方向旋转时，就像子弹一样，我们称它们的手性为右手；当它们逆向旋转时，它们有左手的手性。

在生物学和化学中，手性指的是彼此是镜像的物体，如两只手。例如，DNA、蛋白质和大多数其他自然发生的有机分子被称为右手。而不同类型的手性之间存在着相当大的相互作用。例如，有机材料中分子的几何手性决定了通过它们的粒子的手性。

这与许多显示器的应用有关，因为这些显示器有一个由手性材料制成的透明外层，它只允许单手光--比如说，右手光--进出，阻止其他手性的光子进入。它这样做是为了中和进入的环境光，这些光的手性是混合的；如果允许通过，这些光会降低屏幕的对比度，使其在日光下难以观看。

单手操作的透明层对于在强光下操作显示器是必不可少的（试着在没有它的情况下在正午使用你的智能手机进行导航），但它是浪费的。当现代屏幕的二极管向屏幕表面发射光线--通常具有混合的手性--时，这种光线的一半光子无法到达观看者，因为它们的手性与透明外层的手性不一致，而透明外层是固定的，可以中和环境光线。

但这种情况可能要改变了。

在新的研究中，Yan和他的团队提议以以前认为不可能的方式控制光子的手性。该建议涉及的二极管将主要发射一种手性的光--与透明外层的手性相匹配的手性。这可以通过创造同时向相反方向发光的二极管来实现--一个朝前，另一个朝后--并配备一个涂有含有手性有机材料的聚合物的背板。

二极管的一半光，即具有与透明层相匹配的手性的那部分光，可以不受阻碍地穿过这层。但剩下的一半并没有丢失。相反，它来回反弹，直到撞上二极管的背面聚合物面板，从而翻转其手性。这种聚合物被设计成这样一种方式，它所包含的手性信息被有效地转化为电子的旋转，然后转化为光的手性，从而导致强偏振光的发射。

奇怪的发现，是理论的必然结果
这项研究以最初看起来完全是怪异的实验结果开始。

李万博士，当时是瑞典林雪平大学的博士后，发现了我们现在知道的一种在有机设备中控制和放大光的手性的方法。

"这些发现与这一领域的所有已知事实背道而驰，其他科学家很难相信万的结果。他们说，他的实验可能出了问题，"闫永明回忆说。

Wan和他的博士生导师Alasdair Campbell教授表明，他们可以通过改变产生电流的电池的极性来翻转他们实验装置中电子流的手性。每次他们翻转电源的极性，电子流的手性都会发生持续变化。由于他们没有改变材料，这一发现与当时所有的教科书知识相反。

坎贝尔确信他们发现了一些重要的东西，但他在2021年去世了，在万氏能够从理论上支持他的发现之前。坎贝尔去世后，万晓明找到了严歌苓，他曾在网上听过严歌苓关于手性的讲座。在那场讲座中，严隽琪谈到了他的理论，利用量子物理学的概念，解释了材料的手性如何决定了电子流的手性。

严隽琪开始与Wan和其他两位科学家，即魏兹曼凝聚态物理系的刘一舟博士和伦敦帝国学院的Matthew J. Fuchter教授一起分析Wan的实验。Yan不得不扩展他的手性理论，以便解释Wan的结果，但Yan最后表明，这些发现实际上是他自己理论的一个必然结果。此外，科学家们发现他们还可以控制电子流发出的光的手性，方法是确保光子沿着与电子流相同的轨迹飞出，从而保持其子弹般的旋转。

"我们揭示了手性的一些看似不相关的方面之间耐人寻味的统一性：材料的结构几何，电子流的手性，最后是光的手性，"Yan说，总结了这项新研究。

除了提高我们屏幕的效率，该研究的发现还可以应用于实现快速的数据传输。例如，它们可以被用来创造光学开关，其工作速度将大大超过任何机械开关，通过切换电的极性来翻转光子流的手性--例如，右手表示0，而左手表示1。

最后但并非最不重要的是，这项研究的另一个结果是，教科书将需要更新，以说明严复的手性理论。

该研究结果发表在《自然-光子学》杂志上。
 

参考资料：Li Wan et al, Anomalous circularly polarized light emission in organic light-emitting diodes caused by orbital–momentum locking, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01113-9