研究人员设计出新的方法使光与物质相互作用。

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麻省理工学院和以色列技术学院的研究人员开发了一种增强光和物质相互作用的新方法,将来有一天会有更高效的太阳能电池收集更宽的光波长,以及新的激光器和发光二极管(LED),这些激光器可以完全发光。可调彩色发射。新方法背后的基本原理是一种获得光粒子的动量的方法,称为光子,以更紧密地匹配电子,通常是多个数量级。由于动量的巨大差异,这些粒子通常非常弱地相互作用;使它们的动量更紧密地结合在一起,可以更有效地控制它们的相互作用,这使得能够对这些过程进行新的基础研究,以及一系列新的应用,研究。埃尔斯说。基于理论研究的新发现今天发表在《自然光子学》杂志上,该论文由海法技术学院(以色列理工学院)的Yaniv Kurman、麻省理工学院的研究生Nicholas Rivera、麻省理工学院的博士后T·基斯顿臣、John Joannopoulos、Francis Wrigh等发表。戴维斯是麻省理工学院物理学教授,麻省理工学院物理学教授马林索尔贾,Ido Kaminer,理工大学物理学教授,前麻省理工学院博士后;Shai Tsesses和Meir Orenstein。虽然硅是一种非常重要的物质,是当今大多数电子学的基础,但它并不十分适合应用于光的应用,例如LED和太阳能电池——尽管它目前是太阳能电池的主要材料,尽管它的效率很低,柯米纳说。改善光与一种重要的电子材料如硅的相互作用可能是集成基于光波操控的光子学器件与电子半导体芯片的一个重要里程碑。柯米纳说,大多数研究这个问题的人都关注硅本身,但是“这种方法非常不同,我们试图改变光,而不是改变硅。”Kurman补充说:“人们在光与物质的相互作用中设计物质,但他们不这样认为。”关于光侧的设计。“这样做的一种方法是减慢或缩小光,足以大幅降低其单个光子的动量,使之接近电子的动量。在他们的理论研究中,研究人员表明光通过一层覆盖有石墨烯层的多层薄膜材料可以减慢一千倍。由砷化镓和砷化铟镓层制成的层状材料,改变了光子以高度可控的方式穿过它的行为。这篇论文的作者Kurman说,这使得研究人员能够将材料的排放频率控制在20到30%之间。光子与一对相反带电粒子的相互作用——例如电子及其对应的“空穴”——产生一种叫做质子学的准粒子,或等离子体激元,它是在一种奇异物质如二维L中发生的一种振荡。本研究中使用的设备。里韦拉说,这种材料“支持表面上的电磁振荡,在材料内非常紧密地被限制”。他说,这个过程有效地将光的波长收缩了几个数量级,使它“几乎达到原子尺度”。因为收缩,光可以被半导体吸收,或者被它发射,他说。在石墨烯基材料中,这些特性实际上可以通过简单地改变施加到石墨烯层的电压来直接控制。这样,“我们可以完全控制光的性质,而不仅仅是测量它,”Kurman说。虽然这项工作还处于一个早期和理论阶段,研究人员说,原则上,这种方法可能导致新型太阳能电池能够吸收更宽范围的光波长,这将使装置在将阳光转换成电能方面更有效。它还可以产生光产生装置,例如激光器和LED,这些电子装置可以通过电子调谐来产生各种颜色。柯米纳说:“这具有可调谐性,超出了目前的可用性。”“这项工作非常普遍,”Kurman说,所以结果应该适用于更多的病例,而不是本研究中使用的具体病例。“我们可以使用其他几种半导体材料,以及其他一些光物质极化子。”虽然这项工作不是用硅来完成的,但应该有可能将同样的原理应用到硅基器件上。Kurman说:“通过缩小动量鸿沟,我们可以将硅引入到基于等离子的设备中。”里韦拉说,因为研究结果是如此的新,它应该能够实现很多我们甚至还不知道的功能。巴塞罗那的光子科学研究所的物理学教授Frank Koppens没有参与这项研究,他说:“这项工作的质量很高。他说,这项工作“非常有意义,因为它与传统的射极-光相互作用有明显的突破”,因为迄今为止的工作都是理论性的,他说:“主要的问题是这个效应在实验中是可见的。我相信它很快就会被展示出来。“Koppens说,”人们可以设想许多应用,比如更高效的光发射器、太阳能电池、光电探测器等等。它们都集成在芯片上。这也是一种控制光发射器颜色的新方法,我相信会有一些我们甚至没有想到的应用。“这项工作得到了麻省理工学院的MISTI以色列项目的支持。

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