Nature Photonics：軌道動量鎖定引發的有機發光二極管中反常圓偏振光發射

一、【導讀】

在化學和生物學中，手性是指分子不能疊加在其鏡像上的奇偶對稱性破缺。手性對映體與光偶聯時表現出相反的手性活性。在物理學中，手性通常指的是Weyl費米子和手性圓偏振（CP）光等粒子的自旋動量鎖定。手性有機物最近被報道表現出一種拓撲特征，其中電子軌道和動量被鎖定在一起，以解釋DNA型分子中有趣的自旋選擇性。從自旋信息的光通信到新穎的顯示和成像技術，手性圓偏振光（CP）是許多光子技術的核心。近年來，研究人員在手性發射材料的開發方面已經作出了大量工作，使得有機發光二極管(OLEDs)能夠發射強烈不對稱的CP光。已經被廣泛接受的是，與發光方向無關，活性層的分子手性決定了這種器件中CP發射的有利的光手性。因此，鑒于電子態與光-物質相互作用之間的密切關系，我們受到啟發提出了一個問題：拓撲電子性質(即軌道動量鎖定)能否增強旋光活性，從而推動快速發展的手性光電技術？

二、【成果掠影】

近日，倫敦帝國理工學院Li Wan和以色列魏茨曼科學研究所Binghai Yan等人報道了非常規地反向傳播的手性圓偏振光（CP）表現出相反的旋向性，并且倒置OLEDs中的電流也改變了發射的CP光的旋向性。這種依賴于方向的CP發射通過解決圓偏振光-有機發光二極管（CP-OLEDs）的既定問題將凈偏振率提高了幾個數量級。通過詳細的理論分析，作者將這種反常的CP發射歸因于手性材料中普遍存在的拓撲電子性質，即軌道動量鎖定。該項工作為設計新的手性電子器件鋪平了道路，并探索了量子體系中手性材料、拓撲電子和CP光之間的密切聯系。該工作以“Anomalous circularly polarized light emission in organic light-emitting diodes caused by orbital–momentum locking”為題發表在國際著名期刊《Nature Photonics》上。

三、【核心創新點】

1、發現了手性聚合物CP-OLEDs的異常發光現象：CP光發射的旋向性取決于發射方向。

2、依賴于方向的CP光發射將凈偏振率提高了幾個數量級，證明了拓撲電子性質(即軌道動量鎖定)可以增強旋光活性。

四、【數據概覽】

圖1依賴于器件結構的圓偏振電致發光(CP-EL)

a，法向圓偏振效應，其中CP-EL與發射方向無關，其中IL和IR代表左手(紅色箭頭)和右手(藍色箭頭)CP發射的光強。b, CP-EL依賴于發射方向的異常圓極化效應。星形符號表示器件中的發射位置。c，d，常規(c)和倒置(d) CP-OLEDs的器件結構，其中插圖顯示了F8BT和[P]-aza[6]helicene的分子結構。e, f，來自常規(e)和倒置(f) CP-OLEDs記錄的F8BT :[P]基CP-OLEDs的EL。

圖2相對于電荷載流子流動方向的發射方向依賴的CP發射

a，使用不同類型手性發射物質的CP-OLEDs的報道匯總，包括聚芴、鑭系化合物、TADF發射物和磷光發射物，其中M表示負螺旋手性。b，來自聚芴(本研究中的倒置裝置)、鑭系絡合物和磷光發射體的|g_EL|值作為反射電極厚度的函數的比較。趨勢用實線表示。c，基于F8BT:[P]-aza[6]helicene的半透明常規CP-OLEDs (左)和倒置CP-OLEDs (右)示意圖。紅色箭頭表示沿電子流方向的EL，藍色箭頭表示沿空穴流方向的EL。為了清晰起見，已經去掉了設備夾層。d，從半透明CP-OLEDs兩側測量的g_EL匯總。

圖3軌道動量鎖定和異常圓偏振效應（ACPE）圖解

a，限制在非手性盒中的電子的波函數(|ψ >)可以看作是對位傳播平面波的疊加，|ψ±>≈e^±ikz。b，手性盒中的波函數可以看作是反向傳播的手性平面波的疊加，|ψ±>≈e^±ikze^±l?。其中，|ψ±>攜帶相反的OAM值(±l)，即|ψ±>具有相同的由盒手性引起的電子手性。黑色箭頭表示傳播方向(k)，螺旋狀軌跡表示l。c，從激發態|1 >到基態|0 >的正圓偏振發射，其中|0、1 >攜帶零OAM。在轉變Δl = 0的角動量轉移，因此光的凈自旋為零，導致在兩個方向上發射的光具有相同的旋向。下標“e”和“h”分別表示電子和空穴。d，從|1⁺>到|0⁺>的異常圓極化發射，其中|0⁺，1⁺>攜帶有限OAM。因為Δl是有限的，相反發射的光具有相同的自旋，并表現出相反的手性。e，相對于d反向電流流動切換CP光的手性。

圖4扭曲角堆積兩個F8BT分子的手性和CP發射

a，利用密度泛函理論計算HOMO(|0 >)和LUMO(|1 >)態的總電荷密度分布。白色、棕色、淺藍色和黃色球體分別代表H、C、N和S原子。b， |1⁺>到|0⁺ >的過渡示意圖。c，在x-y平面上渦狀平面波e^i(l?±kz)的相位分布φ(r) = lφ(左)。l由積分輪廓C的虛線圓路徑上φ(r)(右)的相位繞線數逆時針推導得到，|0⁺> (|1⁺>)+k的相位繞線數l = 3(2)， |0^?>(|1^?>)+k的相位繞線數l =?3(?2)，證明了軌道動量鎖定(l||k)。

五、【成果啟示】

作者報告了一個異常圓偏振（ACPE）現象，其中CP光發射的旋向性取決于發射方向。它涉及光學躍遷中有限角動量的轉移。ACPE中不尋常的TRS斷裂是由波函數中手性軌道性質引起的非平衡軌道磁化所驅動的。在CP-OLEDs中，這種軌道磁化是由電流流引起的，而不是靜態磁化或磁場，其影響在以前對手性材料的研究中很少被認識到。根據這種效應能夠設計出非常規的CP-OLEDs器件，它具有較大的g_EL，且不受后電極反射的侵蝕。該項工作揭示了手性在結構幾何、電子拓撲和光的手性等看似無關的方面的有趣統一。手性信息可以從材料的幾何形狀轉移到電子波函數，并進一步轉移到光的自旋。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41566-022-01113-9