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光和物质相互作用的新领域

2016-08-03 10:59
逆光飞舞
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  麻省理工的一项新研究可能开辟了一种基于发光类型的被认为是“禁止”的技术新领域,或者至少不太可能的,在实际操作中是遥不可及的。研究人员表示,这种新的方法,可能会导致某些类型的光与物质之间的相互作用,这通常需要数亿年的时间发生的现象,如今在某些特殊的条件下,一秒钟的十亿分之一的时间内就会代替发生。

  基于理论上分析的这一结果,由麻省理工学院的博士生尼古拉斯·里维拉写作成论文发表在《科学》杂志上,物理学教授马林·梭拉瑞斯,乔安普勒斯物理学教授弗兰西斯·赖特戴维斯和博士后爱都·柯米纳和镇波。

  光与物质之间的相互作用,通过量子电动力学的规律来描述,是一个范围广泛的技术基础包括激光器、发光二极管,和原子钟。但从理论的角度来看,“大多数光与物质的相互作用过程由于电子选择规则是‘禁止’的,这限制了我们获得能量水平之间转换的次数,” 梭拉瑞斯解释说。

  例如,频谱图,是用来分析材料的元素组成,在黑色的背景下表现出一些明亮的线。明亮的线条代表元素原子特定的“允许”的能量水平的转变,并会伴随着光子的释放(光的一种粒子)。在黑色的区域,它弥补了大部分的光谱,在这些能量水平的光发射是“禁止的”。

  在这项新的研究中,柯米纳说,利用原子厚度的二维材料限制的波,“我们从理论上证明,这些限制可以解除。我们发现一些在宇宙中通常需要几年的转变可以发生在纳秒。正因为如此,当原子附近放置一个二维材料时,图中许多的黑色区域会变亮”

  原子中的电子具有离散的能级,当它们从一个能级跳到另一个能级时,它们发出一个光的光子,一个称为自发辐射的过程。但原子本身比得到发射的波长要小得多,约1 / 1000至1 / 10000,大幅度的削弱两者之间的相互作用。

  实际上,其中的诀窍是,使光“收缩”,所以它更好地匹配原子的规模,正如研究人员在他们的研究表明的那样。使一系列相互作用的关键,特别是在原子态跃迁相关的发射或吸收的光,是一种叫做石墨烯二维材料的使用,使光可以作为等离子体的形式进行物质的相互作用,即是一种材料的电磁振荡。

  这些等离子体,类似于光子,但波长要短几百倍,被很窄地局限于石墨烯中,利用这种材料的方式,使其比普通的材料要有几个数量级多的相互作用。这使得我们可以实现各种通常被认为是遥不可及的现象,如多个等离子体的同时发射,或两能级间的发光跃迁,研究团队说明。

  这种方法可以使两个“纠缠”的光子的同时发射,这意味着即使在分离的情况下,它们也可以共享相同的量子态。这样产生的纠缠光子是量子器件中的一个重要的元素,如可用于加密应用中。

  利用这些禁戒跃迁能打开定制光学材料性能的方式,这在之前是不能想象的,里维拉说。“通过改变这些规则”,关于光与物质之间的关系,“它可以打开重塑材料的光学性能的新的大门。”

  柯米纳预测,这项工作“将作为下一代光物质相互作用的研究的起始基础”,并可能导致“在许多依赖于光物质相互作用领域的进一步的理论和实验进展,包括原子,分子和光学物理,光电子,化学,光电子,和许多其他应用中。”

  除了其科学意义,他说,“这项研究有可能在多个学科的应用,因为在原则上它有可能使光学应用的周期表的充分利用。”这可能会让我们实现在光谱和传感设备,超薄太阳能电池,新材料来吸收太阳能,具有更高的效率有机发光二极管,和可能的量子计算设备的光子源等各种应用。

  “从基础科学的角度来看,这项工作是一个分支,仅仅在几年前,这是难以想象的,直到现在,很大程度上仍是未知的基础,”梭拉瑞斯说。

  “二维材料限制表面区域和各种运动都在一个平面上,使在总体积上尽可能多的效果,有几个数量级的削弱幅度,”杰森·弗莱舍说,他是普林斯顿大学的电气工程副教授,他并没有参与这项研究。关于这项工作,他说,“系统地探讨了二维材料如何改善光物质相互作用的,为获得了更快的电子跃迁,增强传感和更好的激发,并包括为宽带和量子光的紧凑产生奠定了理论基础。”

 

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