Forskere udtænker en ny måde at få lys til at interagere med stof

En ny måde at forbedre samspillet mellem lys og stof, udviklet af forskere ved MIT og Israels Technion, kan en dag føre til mere effektive solceller, der opsamler en bredere række af lysbølgelængder, og nye slags lasere og lysemitterende dioder (LED'er), der kunne have fuldt afstembare farveemissioner.

Det grundlæggende princip bag den nye tilgang er en måde at få lette partiklers fremdrift på, kaldet fotoner, for at matche elektronernes, som normalt er mange størrelsesordener større. På grund af den enorme forskel i momentum, disse partikler interagerer normalt meget svagt; at bringe deres momenta tættere på hinanden giver meget større kontrol over deres interaktioner, som kunne muliggøre nye former for grundforskning i disse processer såvel som et væld af nye applikationer, siger forskerne.

De nye resultater, baseret på en teoretisk undersøgelse, offentliggøres i dag i tidsskriftet Naturfotonik i et papir af Yaniv Kurman fra Technion (Israel Institute of Technology, i Haifa); MIT kandidatstuderende Nicholas Rivera; MIT postdoc Thomas Christensen; John Joannopoulos, Francis Wright Davis professor i fysik ved MIT; Marin Soljacic, professor i fysik ved MIT; Ido Kaminer, en professor i fysik ved Technion og tidligere MIT postdoc; og Shai Tsesses og Meir Orenstein på Technion.

Mens silicium er et enormt vigtigt stof som grundlag for det meste af nutidens elektronik, den er ikke velegnet til applikationer, der involverer lys, LED'er og solceller - selvom det i øjeblikket er det vigtigste materiale, der bruges til solceller på trods af dets lave effektivitet, siger Kaminer. Forbedring af lysets interaktioner med et vigtigt elektronikmateriale såsom silicium kan være en vigtig milepæl i retning af at integrere fotonik - enheder baseret på manipulation af lysbølger - med elektroniske halvlederchips.

De fleste mennesker, der kigger på dette problem, har fokuseret på selve silicium, Kaminer siger, men "denne tilgang er meget anderledes - vi forsøger at ændre lyset i stedet for at ændre silicium." Kurman tilføjer, at "folk designer sagen i lys-stof-interaktioner, men de tænker ikke på at designe den lette side."

En måde at gøre det på er ved at sætte farten ned, eller krymper, lyset nok til drastisk at sænke momentum af dets individuelle fotoner, for at få dem tættere på elektronernes. I deres teoretiske studie, forskerne viste, at lys kunne bremses med en faktor tusinde ved at føre det gennem en slags flerlags tyndfilmsmateriale overlejret med et lag grafen. Det lagdelte materiale, lavet af lag af galliumarsenid og indium galliumarsenid, ændrer adfærden af ​​fotoner, der passerer gennem det, på en meget kontrollerbar måde. Dette gør det muligt for forskerne at kontrollere hyppigheden af ​​emissioner fra materialet med så meget som 20 til 30 procent, siger Kurman, hvem er avisens hovedforfatter.

Interaktionen af ​​en foton med et par modsat ladede partikler - såsom en elektron og dens tilsvarende "hul" - producerer en kvasipartikel kaldet en plasmon, eller en plasmon-polariton, som er en slags oscillation, der finder sted i et eksotisk materiale, såsom de todimensionelle lagdelte enheder, der bruges i denne forskning. Sådanne materialer "understøtter elastiske svingninger på overfladen, virkelig tæt begrænset" i materialet, siger Rivera. Denne proces formindsker effektivt lysets bølgelængder i størrelsesordener, han siger, bringer det ned "næsten til atomskalaen."

På grund af det svind, lyset kan derefter absorberes af halvlederen, eller udsendes af det, han siger. I det grafenbaserede materiale, disse egenskaber kan faktisk kontrolleres direkte ved blot at variere en spænding påført grafenlaget. På den måde, "Vi kan fuldstændig kontrollere lysets egenskaber, ikke bare måle det, " siger Kurman.

Selvom arbejdet stadig er på et tidligt og teoretisk stadium, forskerne siger, at denne tilgang i princippet kan føre til nye slags solceller, der er i stand til at absorbere et bredere spektrum af lysbølgelængder, hvilket ville gøre enhederne mere effektive til at omdanne sollys til elektricitet. Det kan også føre til lysproducerende enheder, såsom lasere og lysdioder, der kunne tunes elektronisk til at producere en bred vifte af farver. "Dette har et mål for tunability, der er ud over, hvad der er tilgængeligt i øjeblikket, " siger Kaminer.

"Arbejdet er meget generelt, "Kurman siger, så resultaterne burde gælde for mange flere tilfælde end de specifikke, der er brugt i denne undersøgelse. "Vi kunne bruge flere andre halvledermaterialer, og nogle andre lysstof-polaritoner." Selvom dette arbejde ikke blev udført med silicium, det bør være muligt at anvende de samme principper på siliciumbaserede enheder, siger holdet. "Ved at lukke momentumgabet, vi kunne introducere silicium i denne verden af ​​plasmonbaserede enheder, siger Kurman.

Fordi resultaterne er så nye, Rivera siger, det "skulle muliggøre en masse funktionalitet, som vi ikke engang kender til endnu."