麻省理工学院和以色列理工学院的研究人员开发出一种增强光与物质相互作用的新方法，有朝一日可能会产生更高效的太阳能电池，可收集更广泛的光波长，以及新型激光器和发光二极管(LED )可以具有完全可调的颜色发射。

新方法背后的基本原理是使光粒子(称为光子)的动量更接近地匹配电子的动量，这通常要高出许多个数量级。由于动量的巨大差异，这些粒子通常相互作用很弱; 研究人员表示，将他们的动力联系在一起可以更好地控制他们的相互作用，这可以实现对这些过程的新型基础研究以及一系列新的应用。

基于理论研究的新发现今天发表在Nature Photonics期刊上，由Technion的Yaniv Kurman(以色​​列理工学院，海法)发表。麻省理工学院研究生尼古拉斯里维拉; 麻省理工学院博士后托马斯克里斯滕森; John Joannopoulos，麻省理工学院Francis Wright Davis物理学教授; 麻省理工学院物理学教授Marin Soljacic; Ido Kaminer，以色列理工学院物理学教授，前麻省理工学院博士后; 以及以色列理工学院的Shai Tsesses和Meir Orenstein。

虽然硅是一种非常重要的物质，是目前大多数电子产品的基础，但它并不适合涉及光的应用，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Kaminer说，它的效率很低。改善光与诸如硅之类的重要电子材料的相互作用可能是将光子学(基于光波操纵的装置)与电子半导体芯片集成的重要里程碑。

Kaminer说，大多数关注这个问题的人都把注意力集中在硅片本身上，但“这种方法非常不同 - 我们试图改变光线，而不是改变芯片。” 库尔曼补充说，“人们在光物质相互作用中设计物质，但他们不考虑设计轻质物质。”

一种方法是通过减慢或缩小光线足以大幅降低其单个光子的动量，使它们更接近电子的光子。在他们的理论研究中，研究人员表明，通过一种覆盖着一层石墨烯的多层薄膜材料，光可以减慢一千倍。由砷化镓和砷化镓层构成的分层材料以高度可控的方式改变光子穿过它的行为。该论文的第一作者库尔曼说，这使研究人员能够将材料的排放频率控制在20%%至30%%之间。

光子与一对带相反电荷的粒子(如电子及其相应的“空穴”)的相互作用产生称为等离子体的准粒子，或等离子体激元，这是一种发生在奇特的材料，如本研究中使用的二维分层装置。里维拉说，这种材料“在其表面上支持弹性振荡，非常紧密地限制在​​材料内”。他说，这个过程有效地将光的波长缩小了几个数量级，使其“几乎达到原子尺度”。

他说，由于这种收缩，光可以被半导体吸收，或者由半导体发出。在石墨烯基材料中，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些性质。以这种方式，“我们可以完全控制光的属性，而不仅仅是测量它，”库尔曼说。

虽然这项工作仍处于早期和理论阶段，但研究人员表示，原则上这种方法可以使新型太阳能电池能够吸收更广泛的光波长，从而使设备更有效地将太阳光转换为电能。 。它还可以产生光产生装置，例如激光和LED，它们可以通过电子方式调谐以产生多种颜色。卡米纳说：“这具有超出目前可用范围的可调节性。”

“这项工作非常普遍，”库尔曼说，所以结果应该适用于比本研究中使用的具体案例更多的案例。“我们可以使用其他几种半导体材料，以及其他一些轻物质极化子。” 该团队表示，虽然这项工作不是用硅完成的，但应该可以将相同的原理应用于硅基器件。库曼说：“通过缩小势头差距，我们可以将基于等离子体的设备引入硅世界”。

Rivera说，由于调查结果是如此新颖，它“应该能够实现我们甚至还不知道的许多功能。”

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