控制光的性質？科學家設計出一種可使光與物質相互作用的新方法

08-10

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麻省理工學院（MIT）及以色列理工學院（Technion）的研究人員採用了一種薄膜材料，使光與粒子之間發生強相互作用，從而讓高度可調諧激光器或 LED 成為可能。

圖 | 該薄膜材料的結構，該材料由砷化鎵和銦鎵砷化物層組成，上覆一層石墨烯

研究人員說，此新方法背後的基本原理是，使光粒子（光子）的動量與電子動量更為接近。通常情況下，兩者動量之間要相差好幾個數量級。由於動量之間的差異巨大，這些粒子的相互作用通常非常弱；而將二者動量緊密結合在一起就可以更好地控制它們之間的相互作用，從而對這些過程進行新的基礎研究並可開發大量新用途。

這項基於理論研究的新發現在6月4日發表在在《自然光子學》（Nature Photonics）雜誌上。該論文的作者為以色列理工學院的 Yaniv Kurman、MIT 畢業生 NicholasRivera、MIT 博士後 Thomas Christensen、MIT 弗朗西斯?萊特?戴維斯（the Francis Wright Davis ）物理學教授 John Joannopoulos、MIT 物理學教授 Marin Solja?i?、以色列理工學院物理學教授 Ido Kaminer 和以色列理工學院的 Meir Orenstein。

Kaminer 說，儘管作為當今大部分電子產品的基礎，硅的重要性不言而喻，但在涉及光應用（如 LED 及太陽能電池）方面，它卻並非十分合適。雖然現在硅仍是太陽能電池的主要材料，但其實效率很低。改善光與硅等重要電子材料的相互作用可能是集成光子學（基於光波操縱的器件）與電子半導體晶元的重要里程碑。

大部分研究這個問題的人都關注的是硅本身。但「我們的這種新方法則大不相同，我們試圖改變的是光，而不是硅，」 Kurman 補充道，「在光與物質的相互作用中，人們常常關注物質本身，但沒考慮過光這一邊。」

該論文的第一作者 Kurman 說，對於光來說，有一種方法是減慢或縮小，將其單個光子的動量大幅降低，使其更加接近電子的動量。在他們的理論研究中，研究人員表示，在穿過一種上覆石墨烯的多層薄膜材料後，光的速度會減緩千倍。這種由砷化鎵和銦鎵砷化物構成的層狀材料以高度可控的方式改變了穿過其的光子的特性。這使得研究人員能夠通過該材料控制高達 20% 到 30% 的發射頻率。

光子與一對負電粒子（如電子及其相應的空穴）的相互作用產生了一種准粒子，稱為等離子體（plasmon），或稱等離子體-電磁耦子（plasmon-polariton），其為發生在特殊物質中（如在本研究中所使用的二維分層裝置）的一種振蕩。Rivera 說，這種材料的「表面支持電磁振蕩」，但其內部則會「緊密制約」這種振蕩。這個過程有效地將光的波長縮小了幾個數量級，使它「幾乎達到了原子的尺度」。

他說，由於波長縮短，光可以被半導體吸收或傳導。在石墨烯材料中，只需改變石墨烯塗層的電壓，就可以直接控制光的特質。Kurman 說，通過這樣的方式，「我們就可以完全控制光的性質，而不是僅僅只能測量它們。」

儘管這項技術目前還處在早期理論階段。研究人員說，原則上利用這個方法可以研發出新型太陽能電池，其吸收光波範圍更廣、將光能轉化為電能的轉化率也更高。同時，這個方法還可應用於激光器、發光二極體等發光裝置，通過電子調諧可產生更多色光。Kaminer 說，「這個方法也會提高目前光的協調率」。

Kurma 表示，該研究成果並不局限於實驗中採用的材料，還可以應用於許多其他案例中。該研究團隊稱，本實驗的研究對象不是硅，但是同樣的方法應該可以應用到硅基設備上。Kurman還說，通過減少動量差，我們可以將硅應用於更多的等離子體設備中。

Rivera 說，這項發現新鮮出爐，可能還有許多未知的功能等待發掘。

巴塞羅那光子科學研究所的物理學教授 Frank Koppens 評價道：「這項研究價值很高，研究結果非常具有創造性」。他還說，這項研究具有深遠的意義，顛覆了傳統的發射器和光相互作用的觀點。鑒於這項工作目前還處在理論階段，他認為目前的主要問題是實驗中能否實現效果，但他相信很快就會有進展。

Koppens 說：「我們可以預想，這項發現將得到廣泛應用，比如更高效的發光裝置、太陽能電池、光電探測器等，只需一個晶元就能實現！通過這項技術還能控制發光裝置產生光的顏色。同時，我相信，還有許多我們尚未想到的應用方向」。

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