麻省理工的一項新研究可能開辟了一種基于發(fā)光類型的被認為是“禁止”的技術新領域，或者至少不太可能的，在實際操作中是遙不可及的。研究人員表示，這種新的方法，可能會導致某些類型的光與物質之間的相互作用，這通常需要數(shù)億年的時間發(fā)生的現(xiàn)象，如今在某些特殊的條件下，一秒鐘的十億分之一的時間內就會代替發(fā)生。
基于理論上分析的這一結果，由麻省理工學院的博士生尼古拉斯·里維拉寫作成論文發(fā)表在《科學》雜志上，物理學教授馬林·梭拉瑞斯，喬安普勒斯物理學教授弗蘭西斯·賴特戴維斯和博士后愛都·柯米納和鎮(zhèn)波。
光與物質之間的相互作用，通過量子電動力學的規(guī)律來描述，是一個范圍廣泛的技術基礎包括激光器、發(fā)光二極管，和原子鐘。但從理論的角度來看，“大多數(shù)光與物質的相互作用過程由于電子選擇規(guī)則是‘禁止’的，這限制了我們獲得能量水平之間轉換的次數(shù)，” 梭拉瑞斯解釋說。
例如，頻譜圖，是用來分析材料的元素組成，在黑色的背景下表現(xiàn)出一些明亮的線。明亮的線條代表元素原子特定的“允許”的能量水平的轉變，并會伴隨著光子的釋放（光的一種粒子）。在黑色的區(qū)域，它彌補了大部分的光譜，在這些能量水平的光發(fā)射是“禁止的”。
在這項新的研究中，柯米納說，利用原子厚度的二維材料限制的波，“我們從理論上證明，這些限制可以解除。我們發(fā)現(xiàn)一些在宇宙中通常需要幾年的轉變可以發(fā)生在納秒。正因為如此，當原子附近放置一個二維材料時，圖中許多的黑色區(qū)域會變亮”
原子中的電子具有離散的能級，當它們從一個能級跳到另一個能級時，它們發(fā)出一個光的光子，一個稱為自發(fā)輻射的過程。但原子本身比得到發(fā)射的波長要小得多，約1 / 1000至1 / 10000，大幅度的削弱兩者之間的相互作用。
實際上，其中的訣竅是，使光“收縮”，所以它更好地匹配原子的規(guī)模，正如研究人員在他們的研究表明的那樣。使一系列相互作用的關鍵，特別是在原子態(tài)躍遷相關的發(fā)射或吸收的光，是一種叫做石墨烯二維材料的使用，使光可以作為等離子體的形式進行物質的相互作用，即是一種材料的電磁振蕩。
這些等離子體，類似于光子，但波長要短幾百倍，被很窄地局限于石墨烯中，利用這種材料的方式，使其比普通的材料要有幾個數(shù)量級多的相互作用。這使得我們可以實現(xiàn)各種通常被認為是遙不可及的現(xiàn)象，如多個等離子體的同時發(fā)射，或兩能級間的發(fā)光躍遷，研究團隊說明。
這種方法可以使兩個“糾纏”的光子的同時發(fā)射，這意味著即使在分離的情況下，它們也可以共享相同的量子態(tài)。這樣產生的糾纏光子是量子器件中的一個重要的元素，如可用于加密應用中。
利用這些禁戒躍遷能打開定制光學材料性能的方式，這在之前是不能想象的，里維拉說。“通過改變這些規(guī)則”，關于光與物質之間的關系，“它可以打開重塑材料的光學性能的新的大門。”
柯米納預測，這項工作“將作為下一代光物質相互作用的研究的起始基礎”，并可能導致“在許多依賴于光物質相互作用領域的進一步的理論和實驗進展，包括原子，分子和光學物理，光電子，化學，光電子，和許多其他應用中。”
除了其科學意義，他說，“這項研究有可能在多個學科的應用，因為在原則上它有可能使光學應用的周期表的充分利用。”這可能會讓我們實現(xiàn)在光譜和傳感設備，超薄太陽能電池，新材料來吸收太陽能，具有更高的效率有機發(fā)光二極管，和可能的量子計算設備的光子源等各種應用。
“從基礎科學的角度來看，這項工作是一個分支，僅僅在幾年前，這是難以想象的，直到現(xiàn)在，很大程度上仍是未知的基礎，”梭拉瑞斯說。
“二維材料限制表面區(qū)域和各種運動都在一個平面上，使在總體積上盡可能多的效果，有幾個數(shù)量級的削弱幅度，”杰森·弗萊舍說，他是普林斯頓大學的電氣工程副教授，他并沒有參與這項研究。關于這項工作，他說，“系統(tǒng)地探討了二維材料如何改善光物質相互作用的，為獲得了更快的電子躍遷，增強傳感和更好的激發(fā)，并包括為寬帶和量子光的緊湊產生奠定了理論基礎。”
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