由麻省理工学院（MIT）和以色列理工学院（Technion）开发的一种新方法增强了光与物质之间的相互作用，可以更高效的使太阳能电池收集更大范围的波长，以及实现具有完全可调谐发射范围的新型激光器和发光二极管（LED）。新发现成果发表在了《自然·光子学》杂志上。

▍基本原理

新方法的基本原理是使光子的动量与电子的动量更接近，通常电子的动量比光子的动量大几个数量级，由于动量的巨大差异，这些粒子间的相互作用微弱。科学家评论 说：“将这些动量紧密更接近可以更好地控制它们之间的相互作用，这催生了基于这些过程的新型基础研究以及许多新应用。”

以色列理工学院的Ido Kaminer评论道：“尽管硅作为大多数当今电子产品的基础非常重要，但它并不适用于涉及光的应用，例如LED和太阳能电池，尽管目前它仍是太阳能电池的主要材料，但效率很低。改善光与硅等重要电子材料之间的相互作用可能是将光子学与电子半导体芯片集成的重要里程碑。大多数研究这个问题的人都关注硅片本 身，但我们新发现的这种做法非常不同，我们正试图改变光，而不是改变硅片。人们经常试图控制光物质相互作用，但是他们通常不会考虑调整光本身。”

▍实现方法

实现这一目标的一种方法是缩小光的波长，以大幅度降低单个光子的动量，使它们接近电子的动量，研究人员表明，在他们的理论研究中，让光线穿过一种覆盖一层石墨烯的多层薄膜材料，光线波长可以缩短一千倍。

图为动量匹配：用石墨烯覆盖的、由砷化镓（GaAs）和铟镓砷（InGaAs）薄膜组成的多层材料

研究成果的第一作者以色列理工学院的Yaniv Kurman评论道：“由GaAs和InGaAs薄膜组成的多层材料以一种高度可控的方式改变了通过它的光子的行为。这使得研究人员能够将材料的发射频率 控制在20％到30％之间。在基于石墨烯的材料中，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能，那样我们完全可以控制光的特性，而 不仅仅是测量它。”

▍应用潜力

研究人员进一步评论说，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，这将使器件更有效地将光能转换为电能。新方法也可能催生新型的激光器和发光二极管等发光器件，这些器件可以通过电子方式进行调整以产生各种颜色。

该研究团队表示，虽然这项工作不是用硅进行的，但应该可以将相同的原理应用于硅基器件。Kurman表示，通过缩小动量差距，可以将硅引入基于等离子激元器件的世界。

巴塞罗那光子科学研究所物理学教授Frank Koppens虽然未参与这项研究，他表示：“这项工作的质量非常高，而且相当出色。由于它与传统的发射极-光线相互作用观点截然不同，这种发现是极其重 要的。 由于目前为止的工作是理论性的，主要问题是这种效应在实验中是否可见。不过，我相信它很快就会出现。我们可以预见许多应用，例如更高效的发光器、太阳能电 池、光电探测器等。全部集成在一个芯片上。这也是一种控制光发射器波长的新方法，我相信会有有一些我们甚至都没有想到过的应用发生。”

▍研究资助

这项工作得到了麻省理工学院国际科学与技术计划（MISTI）中的以色列计划的支持。

▍文章链接：

Yaniv Kurman, et al, "Control of semiconductor emitter frequency by increasing polariton momenta," Nature Photonics, 2018; DOI: 10.1038/s41566-018-0176-6

（本文来源：大国重器微信公众号；）

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