控制光的性质?科学家设计出一种可使光与物质相互作用的新方法

发布时间:2018-06-14 16:09


麻省理工学院(MIT)及以色列理工学院(Technion)的研究人员采用了一种薄膜材料,使光与粒子之间发生强相互作用,从而让高度可调谐激光器或 LED 成为可能。


图 | 该薄膜材料的结构,该材料由砷化镓和铟镓砷化物层组成,上覆一层石墨烯


研究人员说,此新方法背后的基本原理是,使光粒子(光子)的动量与电子动量更为接近。通常情况下,两者动量之间要相差好几个数量级。由于动量之间的差异巨大,这些粒子的相互作用通常非常弱;而将二者动量紧密结合在一起就可以更好地控制它们之间的相互作用,从而对这些过程进行新的基础研究并可开发大量新用途。

这项基于理论研究的新发现在6月4日发表在在《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上。该论文的作者为以色列理工学院的 Yaniv Kurman、MIT 毕业生 NicholasRivera、MIT 博士后 Thomas Christensen、MIT 弗朗西斯•莱特•戴维斯(the Francis Wright Davis )物理学教授 John Joannopoulos、MIT 物理学教授 Marin Soljačić、以色列理工学院物理学教授 Ido Kaminer 和以色列理工学院的 Meir Orenstein。

Kaminer 说,尽管作为当今大部分电子产品的基础,硅的重要性不言而喻,但在涉及光应用(如 LED 及太阳能电池)方面,它却并非十分合适。虽然现在硅仍是太阳能电池的主要材料,但其实效率很低。
改善光与硅等重要电子材料的相互作用可能是集成光子学(基于光波操纵的器件)与电子半导体芯片的重要里程碑。

大部分研究这个问题的人都关注的是硅本身。但“我们的这种新方法则大不相同,我们试图改变的是光,而不是硅,” Kurman 补充道,“在光与物质的相互作用中,人们常常关注物质本身,但没考虑过光这一边。”

该论文的第一作者 Kurman 说,对于光来说,有一种方法是减慢或缩小,将其单个光子的动量大幅降低,使其更加接近电子的动量。在他们的理论研究中,研究人员表示,在穿过一种上覆石墨烯的多层薄膜材料后,光的速度会减缓千倍。这种由砷化镓和铟镓砷化物构成的层状材料以高度可控的方式改变了穿过其的光子的特性。这使得研究人员能够通过该材料控制高达 20% 到 30% 的发射频率。

光子与一对负电粒子(如电子及其相应的“孔”)的相互作用产生了一种准粒子,称为等离子体(plasmon),或称等离子体-电磁耦子(plasmon-polariton),其为发生在特殊物质中(如在本研究中所使用的二维分层装置)的一种振荡。Rivera 说,这种材料的“表面支持电磁振荡”,但其内部则会“紧密制约”这种振荡。这个过程有效地将光的波长缩小了几个数量级,使它“几乎达到了原子的尺度”。

他说,由于波长缩短,光可以被半导体吸收或传导。在石墨烯材料中,只需改变石墨烯涂层的电压,就可以直接控制光的特质。Kurman 说,通过这样的方式,“我们就可以完全控制光的性质,而不是仅仅只能测量它们。”

尽管这项技术目前还处在早期理论阶段。研究人员说,原则上利用这个方法可以研发出新型太阳能电池,其吸收光波范围更广、将光能转化为电能的转化率也更高。同时,这个方法还可应用于激光器、发光二极管等发光装置,通过电子调谐可产生更多色光。Kaminer 说,“这个方法也会提高目前光的协调率”。

Kurma 表示,该研究成果并不局限于实验中采用的材料,还可以应用于许多其他案例中。该研究团队称,本实验的研究对象不是硅,但是同样的方法应该可以应用到硅基设备上。Kurman还说,通过减少动量差,我们可以将硅应用于更多的等离子体设备中。

Rivera 说,这项发现新鲜出炉,可能还有许多未知的功能等待发掘。

巴塞罗那光子科学研究所的物理学教授 Frank Koppens 评价道:“这项研究价值很高,研究结果非常具有创造性”。他还说,这项研究具有深远的意义,颠覆了传统的发射器和光相互作用的观点。鉴于这项工作目前还处在理论阶段,他认为目前的主要问题是实验中能否实现效果,但他相信很快就会有进展。

Koppens 说:“我们可以预想,这项发现将得到广泛应用,比如更高效的发光装置、太阳能电池、光电探测器等,只需一个芯片就能实现!通过这项技术还能控制发光装置产生光的颜色。同时,我相信,还有许多我们尚未想到的应用方向”。


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校审:戴青

参考链接:

http://news.mit.edu/2018/researchers-devise-new-way-make-light-interact-matter-0604


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