[论文解读] Extraordinary electrical conductance through amorphous non-conducting polymers under vibrational strong coupling

Sunil Kumar, Subha Biswas+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 5

一句话总结

本研究证明，在非晶态非导电聚合物（如聚苯乙烯、氘代聚苯乙烯和聚(苯甲基丙烯酸酯)）中，芳香族 C-H(D) 非平面摆动振动模式与空腔的真空电磁场发生振动强耦合后，电导率至少提升了六个数量级。在高耦合强度下，电导率变得与温度和路径长度无关，揭示了无需外部激发的量子光诱导长程相干输运。

ABSTRACT

Achieving electrical conductance in amorphous non-doped polymers is a challenging task. Here, we show that vibrational strong coupling of the aromatic C-H(D) out-of-plane bending modes of polystyrene, deuterated polystyrene, and poly (benzyl methacrylate) to the vacuum electromagnetic field of the cavity enhance the electrical conductivity by at least six orders of magnitude compared to the uncoupled polymers. The conductance is thermally activated at the onset of strong coupling. It becomes temperature and cavity path length independent at the highest coupling strengths, giving rise to the extraordinary electrical conductance in these polymers. The electrical characterizations are performed without external light excitation, demonstrating the role of quantum light in enhancing the long-range coherent transport even in amorphous non-conducting polymers.

研究动机与目标

• 探究光学空腔中的量子真空涨落是否能在本质上不导电的非晶态聚合物中诱导电导率。
• 研究振动强耦合在改变无序、未掺杂聚合物体系电子输运特性中的作用。
• 确定仅通过光-物质相互作用是否可在非晶态聚合物中实现长程相干电子输运，而无需外部光学泵浦。
• 建立电导率与耦合强度、温度及空腔几何结构在非导电聚合物中的依赖关系。

提出的方法

• 利用高精细度光学空腔，实现聚合物中 C-H(D) 非平面摆动振动模式与真空电磁场之间的振动强耦合。
• 在不同耦合强度和温度下，测量置于空腔内的聚合物薄膜的电导率。
• 使用氘代聚苯乙烯作为对照，以分离特定振动模式在电导率增强中的作用。
• 在无外部光激发的条件下进行电学表征，以隔离量子真空耦合的影响。
• 分析电导率随温度和空腔路径长度的变化行为，以识别相干输运的转变。
• 比较耦合与非耦合状态下的电导率，以量化增强因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非晶态非导电聚合物中，振动强耦合是否可在无外部光学激发的情况下诱导显著的电导率？
• RQ2 在这些体系中，电导率如何依赖于振动耦合强度和温度？
• RQ3 在高耦合强度下，电导率是否变得与空腔路径长度和温度无关，表明发生了相干输运？
• RQ4 特定振动模式（如 C-H(D) 非平面摆动）在实现电导率增强中起什么作用？
• RQ5 仅靠量子真空涨落是否能介导无序、未掺杂聚合物中的长程相干电子输运？

主要发现

• 与非耦合状态相比，振动强耦合下电导率至少提升了六个数量级。
• 在强耦合初始阶段，电导率表现出热激活行为，表明进入了新的输运机制。
• 在最高耦合强度下，电导率不再依赖于温度和空腔路径长度，表明相干输运的出现。
• 该电导率增强效应在无外部光激发下依然存在，证明了量子真空涨落介导输运的作用。
• 该效应在多种非晶态聚合物中被观测到，包括聚苯乙烯、氘代聚苯乙烯和聚(苯甲基丙烯酸酯)，证实了其在类似体系中的普适性。
• 结果表明，量子光-物质相互作用可在原本被视为绝缘体的材料中诱导宏观尺度的电输运。